光照下石墨烯量子点在电解液中的传输性研究

发布时间：2020-05-28 11:25

【摘要】：超级电容器集大功率、长寿命、环保、高效等特性于一身,具有工作温度宽、可靠性高、快速充放电等特点,是一种介于传统电容器与二次电池之间的新型储能装置,在电子、通讯航空、航天工业等领域广泛应用。电解液作为超级电容器重要组成部分,在超级电容器中发挥正负极之间传输电荷的作用,影响着超级电容器的比容量、循环效率、工作温度范围及安全性能等重要特性。因此寻找合适的电解液材料,是目前的研究重点之一。作为一种新型的准零维石墨烯碳材料,石墨烯量子点(graphene quantum dots,GQDs)具有量子限域效应、大的比表面积、边缘效应和独特的光电传输特性,因此被广泛应用于超级电容器领域。研究表明GQDs的诸多特性和表面官能团有着不可分割的关系,这使得表面官能团在GQDs基超级电容器领域中起着重要的作用。但GQDs表面的官能团多样使得溶液中GQDs的离子电导率受到一定程度的影响。因而,如何调控GQDs的官能团来提高其在溶液中的离子传输性并将其高效的应用于超级电容器电解液中仍然有待研究。本文以泡沫镍为基底,通过化学气相沉积法(CVD)制备出了三维石墨烯(three-dimensional graphenes,3DGs)。然后以3DGs为原材料,通过一步水热法制备得到GQDs。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、紫外可见吸收光谱(UV)以及荧光光谱(PL)分别对3DGs、GQDs的形貌、粒径、表面官能团和光学性质进行分析。结果表明以CVD制备得到的3DGs的质量比较好,石墨化程度高,层数少,但表面存在褶皱以及不可避免的缺陷。GQDs粒径分布在10-20 nm,表面仅含羟基官能团(-OH),并且当用360 nm波长激发GQDs时,在452 nm处有最大发射波长。将GQDs水溶液作为超级电容器的电解液进行交流阻抗测试(EIS),研究浓度、光照、酸碱性对电解液中离子传输性的影响。结果表明:随着GQDs浓度的增大,溶液中测得的等效串联电阻值减小,离子传输速率增大;对电解液进行10 min光照射,溶液中的离子传输速率高于无光照时;酸性溶液中的等效串联电阻值小于碱性溶液,离子传输速率比碱性溶液快。分析原因是:由3DGs制备得到的GQDs,表面仅含少量的羟基官能团,在电解时,溶液中电离释放的只有H~+离子,当环境中偏酸性时,电离瞬间溶液中的H~+数量增加,使得溶液中离子传输速度加快。光照后,GQDs能够增强吸光度,加快光诱导电子空穴对分解以及溶液中电子转移速率,导致溶液中离子传输速率高于无光照组。本论文研究结果可以为超级电容器电解液添加剂及模拟计算离子传输性提供数据参考。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;TB383.1

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