还原氧化石墨烯基复合材料的合成及其超电容行为研究

发布时间：2018-03-16 13:54

本文选题：超级电容器　切入点：比电容　出处：《西北师范大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：超级电容器作为一种新兴的能量存储元件,具有功率密度大,使用寿命长以及环保等优点。但是,相比于锂离子电池,相对较低的能量密度又是制约其大规模应用的主要原因。因此,目前超级电容器研究的重点是寻找具有高性能的电极材料。石墨烯作为一种新型的碳材料,由于具有大的比表面积、高的理论比电容等特点而被广泛应用于超级电容器。然而,由于石墨烯层与层之间强烈的范德华力又常常会使其发生团聚或堆垛。因此,对石墨烯进行修饰以及石墨烯基复合材料的设计和合成都是拓宽石墨烯应用范围的有效途径。本论文研究将有机小分子引入到还原氧化石墨烯表面,利用非共价键功能化对石墨烯进行了修饰;以石墨烯作为导电基质与硫化铋复合,制备了硫化铋/还原氧化石墨烯(Bi_2S_3/RGO)复合材料。此外,通过简单的回流法制备了二元金属氧化物钴酸锰MnCo_2O_4纳米花。采用常规的分析手段对材料的形貌、组成和晶型结构进行了表征,并对其电化学性能进行了详细研究。主要内容概括如下:1.利用水溶性甲基绿(Methyl green,MG)对还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,RGO)进行非共价键修饰以期提高石墨烯的超电容性能。甲基绿通过快速的氧化还原反应贡献额外的电化学电容,使还原氧化石墨烯的比电容有了明显的增加。实验结果显示,在电位窗口为-0.25-0.75 V,电流密度为1 A g~(-1)时,甲基绿/还原氧化石墨烯(MG-RGO)复合材料在MG与RGO的质量比为MG:RGO=5:4时,其比电容达到最大值,为341 F g~(-1)。此外,MG-RGO复合材料还显示出了优异的倍容率特性(电流密度增加到20 A g~(-1)时,其比电容仍能保持初始值的72%)以及长的循环寿命(5000次循环后电容仅衰减12%)。复合材料优异的电化学性能主要是因为甲基绿和还原氧化石墨烯间的正协同作用,这说明通过有机小分子对石墨烯进行修饰是一种制备高性能电极材料的可取方法。2.通过回流法以及后续热处理合成了钴酸锰纳米花超级电容器电极材料。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外(FT-IR)光谱等表征手段对所制备样品的形貌和结构行了分析;并利用循环伏安,恒电流充放电技术测试了其电化学性能。测试结果显示,寻求最佳的回流条件是获得高性能电极材料的关键,当乙醇与水的体积比为1:1时,制备的MnCo_2O_4单电极比电容可达到314 F g~(-1)。此外,该材料还表现出了较好的循环稳定性,经2000次循环后,其比电容仍能保持初始值的90.4%。3.通过水热法制备了Bi_2S_3/RGO复合材料,并通过循环伏安、恒电流充放电技术对其超电容行为进行了研究。以石墨烯作为生长基底以提高复合材料的导电性,同时在石墨烯上担载硫化铋在一定程度上阻止了石墨烯的团聚。分析电化学数据得出,复合材料的性能受到材料质量配比的影响。经过对比实验优化材料的最佳条件,并讨论了最佳条件下制得的材料作为单电极时的电化学性能。其在电位窗口在-1-0 V下,在电流密度为1 A g~(-1)时,Bi_2S_3/RGO复合材料的比电容最高可达400 F g~(-1)。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33;TM53

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