三维石墨烯/碳纳米管复合材料及其超级电容器应用
发布时间：2021-02-11 22:18
以化学气相沉积法,利用硅藻土作为天然催化剂,制备出三维石墨烯/碳纳米管复合材料,通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和比表面及孔径分析（BET）等方法对材料的形貌和孔径分布进行表征。研究了复合材料在1 mol/L H2SO4电解液中的超级电容器电化学性能。循环伏安测试结果表明,在扫描速率为2m V/s时,三维石墨烯/碳纳米管复合电极在1 mol/L H2SO4电解液中的比电容达到110 F/g。50 m V/s扫描速率下,复合电极稳定循环10000次容量保持稳定。
【文章来源】：功能材料. 2016,47(S2)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
硅藻土微观形貌的扫描电镜照片
遗体，是天然的纳米孔材料。硅藻土通常呈浅黄色，从电子显微镜照片如图1所示，硅藻土多为笼状形态，它们的形体尺寸一般为几个微米到几十微米。其壳壁为多孔结构，孔排列整齐，线纹小孔的直径在600～700nm。硅藻土由无定形的SiO2组成，含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5和有机质。其中，SiO2通常占85%左右，其中氧化铁含量为1．0%左右。图1硅藻土微观形貌的扫描电镜照片Fig1SEMimagesofdiatomite图2三维石墨烯/碳纳米管复合材料的扫描电镜照片Fig2SEMimagesof3Dgraphene/carbonnanotube2．2三维石墨烯/碳纳米管复合材料的形貌以及微观结构制备得到的产物为三维石墨烯和碳纳米管的复合材料，如图2所示。首先CVD生长的石墨烯完全复制了硅藻土的微观形貌，获得了多孔、中空结构的三维石墨烯。此外，由于硅藻土中含有微量的金属铁离子，它能进一步还原催化生长出碳纳米管结构，杂乱分散在三维石墨烯的表面。长度为几个微米，管与管互相缠绕在一起。透射电镜照片清晰显示三维石墨烯具有笼状多孔的开放结构(图3(a))，利于离子的吸附和脱出，高分辨的透射电镜照片进一步表征了石墨烯的厚度，为典型的多层结构，相应的SAED衍射环也揭示出三维石墨烯为多晶结构，碳纳米管直径在10～30nm。此外，碳纳米管由于氮原子掺杂，呈现出典型的竹节状形貌，管壁为多壁结构。利用Ｒaman和XPS光谱进一步考察了三维石墨烯/碳纳米管复合材料的微观结构以及元素组成。图4(a)显示出三维石墨烯/碳纳米管复合材料存在3个特征信号峰，拉曼峰位分别在约1368cm－1(D峰，与缺陷有关)、1591cm－1(G峰，与sp2结晶性有关)和2700cm－1(2D峰，与石墨烯层数有关)。2D
图3(a)，(b)三维石墨烯的透射电镜照片、(c)衍射花样以及(d)，(e)碳纳米管的透射电镜照片Fig3(a)，(b)TEMimagesand(c)SAEDpatternof3Dgraphene，and(d)，(e)TEMimagesofcarbonnanotube图4三维石墨烯/碳纳米管复合材料的拉曼光谱、XPSN1s谱图以及吸脱附等温曲线Fig4ＲamanspectrumandXPSN1sspectrumandadsorption/desorptionisothermof3Dgraphene/carbonnanotube图5(a)三维石墨烯/碳纳米管复合材料在不同扫速下的CV曲线，(b)在50mV/s速率下，循环10000次CV曲线对比Fig5(a)CVcurvesatdifferentscanningrates，and(b)CVcomparisonafter10000cyclesof3Dgraphene/carbonnanotube2．4三维石墨烯/碳纳米管复合材料的电化学性能图5(a)为三维石墨烯/碳纳米管复合电极在2～100mV/s扫速速率下的CV曲线，可以看出CV曲线为典型的对称矩形形状，说明三维石墨烯/碳纳米管复合电极具有良好的可逆性，而且在扫描电位范围内，没有出现氧化还原峰，说明电极容量几乎完全由双电层电容提供。在扫描速率为2mV/s下，其比容量为110F/g，在100mV/s高速扫描下，容量仍能保持2mV/s扫描速率下的53．4%。在扫描速率为50mV/s下，循环10000次以上，容量衰减仅为3．5%(如图5(b)所示)。上述结果表明，三维石墨烯/碳纳米管复合材料具有较大的比容量和优异的循环稳定性。1142016年增刊Ⅱ(47)卷
本文编号：3029799
【文章来源】：功能材料. 2016,47(S2)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
硅藻土微观形貌的扫描电镜照片
遗体，是天然的纳米孔材料。硅藻土通常呈浅黄色，从电子显微镜照片如图1所示，硅藻土多为笼状形态，它们的形体尺寸一般为几个微米到几十微米。其壳壁为多孔结构，孔排列整齐，线纹小孔的直径在600～700nm。硅藻土由无定形的SiO2组成，含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5和有机质。其中，SiO2通常占85%左右，其中氧化铁含量为1．0%左右。图1硅藻土微观形貌的扫描电镜照片Fig1SEMimagesofdiatomite图2三维石墨烯/碳纳米管复合材料的扫描电镜照片Fig2SEMimagesof3Dgraphene/carbonnanotube2．2三维石墨烯/碳纳米管复合材料的形貌以及微观结构制备得到的产物为三维石墨烯和碳纳米管的复合材料，如图2所示。首先CVD生长的石墨烯完全复制了硅藻土的微观形貌，获得了多孔、中空结构的三维石墨烯。此外，由于硅藻土中含有微量的金属铁离子，它能进一步还原催化生长出碳纳米管结构，杂乱分散在三维石墨烯的表面。长度为几个微米，管与管互相缠绕在一起。透射电镜照片清晰显示三维石墨烯具有笼状多孔的开放结构(图3(a))，利于离子的吸附和脱出，高分辨的透射电镜照片进一步表征了石墨烯的厚度，为典型的多层结构，相应的SAED衍射环也揭示出三维石墨烯为多晶结构，碳纳米管直径在10～30nm。此外，碳纳米管由于氮原子掺杂，呈现出典型的竹节状形貌，管壁为多壁结构。利用Ｒaman和XPS光谱进一步考察了三维石墨烯/碳纳米管复合材料的微观结构以及元素组成。图4(a)显示出三维石墨烯/碳纳米管复合材料存在3个特征信号峰，拉曼峰位分别在约1368cm－1(D峰，与缺陷有关)、1591cm－1(G峰，与sp2结晶性有关)和2700cm－1(2D峰，与石墨烯层数有关)。2D
图3(a)，(b)三维石墨烯的透射电镜照片、(c)衍射花样以及(d)，(e)碳纳米管的透射电镜照片Fig3(a)，(b)TEMimagesand(c)SAEDpatternof3Dgraphene，and(d)，(e)TEMimagesofcarbonnanotube图4三维石墨烯/碳纳米管复合材料的拉曼光谱、XPSN1s谱图以及吸脱附等温曲线Fig4ＲamanspectrumandXPSN1sspectrumandadsorption/desorptionisothermof3Dgraphene/carbonnanotube图5(a)三维石墨烯/碳纳米管复合材料在不同扫速下的CV曲线，(b)在50mV/s速率下，循环10000次CV曲线对比Fig5(a)CVcurvesatdifferentscanningrates，and(b)CVcomparisonafter10000cyclesof3Dgraphene/carbonnanotube2．4三维石墨烯/碳纳米管复合材料的电化学性能图5(a)为三维石墨烯/碳纳米管复合电极在2～100mV/s扫速速率下的CV曲线，可以看出CV曲线为典型的对称矩形形状，说明三维石墨烯/碳纳米管复合电极具有良好的可逆性，而且在扫描电位范围内，没有出现氧化还原峰，说明电极容量几乎完全由双电层电容提供。在扫描速率为2mV/s下，其比容量为110F/g，在100mV/s高速扫描下，容量仍能保持2mV/s扫描速率下的53．4%。在扫描速率为50mV/s下，循环10000次以上，容量衰减仅为3．5%(如图5(b)所示)。上述结果表明，三维石墨烯/碳纳米管复合材料具有较大的比容量和优异的循环稳定性。1142016年增刊Ⅱ(47)卷
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