石墨烯/过渡金属化合物复合材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-01-07 10:29
随着全球性的能源日益短缺和传统能源污染加剧,发展新的可持续能源已成为一项至关重要的任务。目前,锂离子电池因为其优秀的能量密度和循环稳定性已被大量应用于便携式电子器件、电动汽车、智能电网等领域。然而,锂资源的匮乏与不合理分布大大阻碍了锂离子电池的大规模使用。最近,新型电化学储能器件如:超级电容器、钠离子电池、钾离子电池等作为锂离子电池的适合和具有潜力的替代品已经被广泛探索以推动新型高效能源存储的发展。在诸多新型储能材料中,过渡金属化合物由于具有较高的能量密度和转换效率成为新的研究热点。但是,这类材料普遍存在比表面积低、活性位点少、导电性差、体积膨胀大、材料易粉碎等等固有属性的问题,对其在新型电化学储能中的应用造成严重制约。因此,通过过渡金属化合物活性材料与整个电极的结构协同复合,巧妙地设计材料的形貌和组成可以有效解决上述问题。首先,在纳米尺度上实现过渡金属化合物的形貌和结构的可控合成,以增强材料的结构强度和稳定性,扩大比表面和提高动力学性能。其次,在过渡金属化合物的新型纳米结构设计基础上提供衬底材料,如石墨烯,导电聚合物等。石墨烯作为一种新型的单碳原子二维多功能材料,具有优良的光学、电学...
【文章来源】：上海电力大学上海市
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
褶皱石墨烯示意图[8]
于石墨烯的弯曲变形可以吸收能量，表现出良好的柔性。④电学性能：温条件下石墨烯具有超过15000cm2V1s1的高电子迁移率。在l0K到100K的温度变化条件下，其电子迁移率不受温度的影响。在室温条件下，电子迁移率可被声子散射提高200000cm2V1s1。石墨烯的电阻率很小，是良好的导体材料。1.3.3氧化石墨烯（GO）的制备目前，对石墨烯的研究已经从从石墨烯的制备、功能化拓展到各个领域的应用，对于石墨烯的制备也已经从简单的机械剥离法拓展到大规模制备的新型方式，如：化学气相沉积法、分子束外延生长以及改进的Hummers法等。图12氧化石墨烯（grapheneoxide，GO）制备示意图[8]在实际生产中，这些方法各有优缺点：机械剥离法操作简单、成本低、设备要求低，但产物的厚度、尺寸很难控制，无法实现大量可控制备。化学气相沉积法需要高温环境下气态反应，可以实现大规模低成本可控制备高品质石墨烯，但是设备要求高、反应能耗大，成本较高。分子束外延生长法生长更加苛刻，且生成的石墨烯难以分离。
??鹗艉陀谢?岷霞恋难≡穸訫OF的结构和性能有很大的影响，GO在基底面具有更大的结构基序和孔径的可调性。MOF的极性基团与未处理的GO连接，化学还原以去除GO表面的环氧和羟基。通过空间限域自组装使二维石墨烯形成三维石墨烯气凝胶，MOF颗粒均匀分散在石墨烯片的两侧并且被石墨烯良好包裹。此外，GO还原后，得到的rGO克服了MOF导电性差的缺点。因此，GR/MOF复合材料是一种很有前途的制备新型电化学储能电极的前驱体材料。1.5石墨烯复合纳米材料在电化学储能领域中的应用1.5.1超级电容器（SCs）1.5.1.1超级电容器的概述图13超级电容器的不同分类图[52,56,59]超级电容器（supercapacitors，SCs）是利用高表面积电极材料和超薄电解介质来获得电化学储能。传统电容器一般由两个被绝缘介质材料隔开的导电电极组成，负载电压加到导电电极时，不同电荷在每个电极的表面积聚以储存能量。根据目前的研究发展趋势，超级电容器可分为三大类：电化学双层电容器（electrochemicaldoublelayercapacitor，EDLCs）、赝电容器（pseudocapacitances，PCs）和混合电容器（hybridcapacitor，HCs）。每一类都有其独特的储存电荷机制，分别是非法拉第反应（nonfaradayreaction）、法拉第反应（faradayreaction）和两者的结合。非法拉第机制不涉及化学反应机制，电荷是通过不涉及化学键的形成或断裂的物理过程分布在表面上的。与之不同的是，法拉第过程中主要是以氧化还原反应为主，其主要机理是电极和电解质之间的电荷转移。接下来将介绍这三种超级电容器具体特点与区别。1.5.1.2超级电容器的分类①电化学双层电容器（EDLCs）：其基本结构为碳基电极/电解液//隔膜//电解液/碳基电极。与传统电容器一样，电化学双层电容器的电极和电解液之间不存在电荷转移，而是通过
【参考文献】：
期刊论文
[1]Definitions of Pseudocapacitive Materials: A Brief Review[J]. Yuqi Jiang,Jinping Liu. 能源与环境材料(英文). 2019(01)
[2]用于高性能非对称超级电容器电极的泡沫镍负载分层介孔Co3O4@ZnCo2O4混合纳米线阵列（英文）[J]. 李蒙刚,杨微微,黄雅荣,于永生. Science China Materials. 2018(09)
本文编号：2962400
【文章来源】：上海电力大学上海市
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
褶皱石墨烯示意图[8]
于石墨烯的弯曲变形可以吸收能量，表现出良好的柔性。④电学性能：温条件下石墨烯具有超过15000cm2V1s1的高电子迁移率。在l0K到100K的温度变化条件下，其电子迁移率不受温度的影响。在室温条件下，电子迁移率可被声子散射提高200000cm2V1s1。石墨烯的电阻率很小，是良好的导体材料。1.3.3氧化石墨烯（GO）的制备目前，对石墨烯的研究已经从从石墨烯的制备、功能化拓展到各个领域的应用，对于石墨烯的制备也已经从简单的机械剥离法拓展到大规模制备的新型方式，如：化学气相沉积法、分子束外延生长以及改进的Hummers法等。图12氧化石墨烯（grapheneoxide，GO）制备示意图[8]在实际生产中，这些方法各有优缺点：机械剥离法操作简单、成本低、设备要求低，但产物的厚度、尺寸很难控制，无法实现大量可控制备。化学气相沉积法需要高温环境下气态反应，可以实现大规模低成本可控制备高品质石墨烯，但是设备要求高、反应能耗大，成本较高。分子束外延生长法生长更加苛刻，且生成的石墨烯难以分离。
??鹗艉陀谢?岷霞恋难≡穸訫OF的结构和性能有很大的影响，GO在基底面具有更大的结构基序和孔径的可调性。MOF的极性基团与未处理的GO连接，化学还原以去除GO表面的环氧和羟基。通过空间限域自组装使二维石墨烯形成三维石墨烯气凝胶，MOF颗粒均匀分散在石墨烯片的两侧并且被石墨烯良好包裹。此外，GO还原后，得到的rGO克服了MOF导电性差的缺点。因此，GR/MOF复合材料是一种很有前途的制备新型电化学储能电极的前驱体材料。1.5石墨烯复合纳米材料在电化学储能领域中的应用1.5.1超级电容器（SCs）1.5.1.1超级电容器的概述图13超级电容器的不同分类图[52,56,59]超级电容器（supercapacitors，SCs）是利用高表面积电极材料和超薄电解介质来获得电化学储能。传统电容器一般由两个被绝缘介质材料隔开的导电电极组成，负载电压加到导电电极时，不同电荷在每个电极的表面积聚以储存能量。根据目前的研究发展趋势，超级电容器可分为三大类：电化学双层电容器（electrochemicaldoublelayercapacitor，EDLCs）、赝电容器（pseudocapacitances，PCs）和混合电容器（hybridcapacitor，HCs）。每一类都有其独特的储存电荷机制，分别是非法拉第反应（nonfaradayreaction）、法拉第反应（faradayreaction）和两者的结合。非法拉第机制不涉及化学反应机制，电荷是通过不涉及化学键的形成或断裂的物理过程分布在表面上的。与之不同的是，法拉第过程中主要是以氧化还原反应为主，其主要机理是电极和电解质之间的电荷转移。接下来将介绍这三种超级电容器具体特点与区别。1.5.1.2超级电容器的分类①电化学双层电容器（EDLCs）：其基本结构为碳基电极/电解液//隔膜//电解液/碳基电极。与传统电容器一样，电化学双层电容器的电极和电解液之间不存在电荷转移，而是通过
【参考文献】：
期刊论文
[1]Definitions of Pseudocapacitive Materials: A Brief Review[J]. Yuqi Jiang,Jinping Liu. 能源与环境材料(英文). 2019(01)
[2]用于高性能非对称超级电容器电极的泡沫镍负载分层介孔Co3O4@ZnCo2O4混合纳米线阵列（英文）[J]. 李蒙刚,杨微微,黄雅荣,于永生. Science China Materials. 2018(09)
本文编号：2962400
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