三维石墨烯超级电容器电极材料的制备及其电容性能研究

发布时间：2017-07-18 05:23

  本文关键词：三维石墨烯超级电容器电极材料的制备及其电容性能研究

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【摘要】：石墨烯作为一种二维新型碳材料以其优良的性能使其在超级电容器电极材料方面具有广阔的应用前景。近来,三维石墨烯(3DG)具有3D孔状结构,使其具有更大的比表面积,更高的的机械性能及更快的电子传输速率受到研究者的广泛关注。本文首先在Zn片上快速生长三维石墨烯,制备出了宏观尺寸大小可控且具有较高比电容的三维石墨烯材料,该法具有快捷、绿色环保,成本低廉的优点,为三维石墨烯的商业化应用奠定基础。考察了制备的过程中酸溶液浓度、反应时间及GO浓度对三维石墨烯比电容的影响,从而得出最佳的制备条件。最佳条件下制备的三维石墨烯,厚度较薄,没有出现层与层之间的严重堆叠,具有很好3D立体孔道结构;在电流密度1A/g的测试条件下,电极材料的电容量达到117.1 F/g。同时在100mv/s的情况下,经过2000圈循环伏安测试,其电容器可保持初始值的95.8%,表现出非常高的循环稳定性。采用一步水热法,绿色、便捷地制备出MnO2/3DG的复合材料,通过不加还原剂和加入表面活性剂和还原剂的手段,分别得到R-MnO2/3DG和S-MnO2/3DG复合材料。通过比较发现,R-MnO2/3DG复合电极材料中MnO2颗粒粒径较小,分散均匀,且没有团聚现象,具有更高的电容值,优于S-MnO2/3DG复合材料。探究了制备条件对RMnO2/3DG复合材料的影响,得出最佳制备条件为:负载量为49.5wt%、水热温度180℃、水热时间为8h;最佳条件下制备的R型复合电极材料在1A/g的电流密度下,比电容可以达到356.4F/g。在扫描速率100mv/s下,经过2000圈的测试,最终的电容保持率约为92.3%。采用水热法制备了三维石墨烯负载钴、镍双金属氧化物NixCoyOz/3DG复合材料,探究了镍、钴比(x/y)对其电容值的影响,发现当x/y=1/2时,NiCo2O4/3DG复合材料材料的电容值最高,在电流密度1A/g下,其比电容达到380.9F/g,高于R-MnO2/3DG的电容值;但其同样条件下,电容保持率为89.8%,循环稳定性低于R-MnO2/3DG复合电极材料。
【关键词】：三维石墨烯 二氧化锰 钴、镍双金属氧化物 复合材料 比电容
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB33
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 电化学电容器简介12-16
• 1.2.1 电化学电容器工作原理12-14
• 1.2.2 电化学电容器的特点14-16
• 1.2.3 电化学电容器的应用前景16
• 1.3 电化学电容器的发展状况16-18
• 1.4 基于石墨烯的超级电容器电极材料研究进展18-29
• 1.4.1 二维石墨烯的研究现状18-23
• 1.4.1.1 还原氧化石墨烯法19-21
• 1.4.1.2 碳化硅热解法21-22
• 1.4.1.3 化学气相沉淀法（CVD）22-23
• 1.4.2 三维石墨烯研究现状23-26
• 1.4.2.1 水热自组装法23-24
• 1.4.2.2 化学交联法24-25
• 1.4.2.3 化学气相沉积法25-26
• 1.4.2.4 电化学还原26
• 1.4.3 石墨烯负载金属氧化物复合电极材料分类26-29
• 1.4.3.1 二维石墨烯负载金属氧化物26-28
• 1.4.3.2 三维石墨烯负载金属氧化物/氢氧化物28-29
• 1.5 本课题的研究意义及内容29-31
• 第二章 实验部分及表征技术31-37
• 2.1 实验所用的试剂及仪器31-32
• 2.1.1 化学试剂31-32
• 2.1.2 实验仪器32
• 2.2 复合电极材料的制备32-33
• 2.3 复合电极材料的结构表征33-34
• 2.3.1 场发射电子扫描显微镜（FE-SEM）33
• 2.3.2 透射电子显微镜（TEM）33
• 2.3.3 X射线衍射分析（XRD）33
• 2.3.4 电子探针微区分析（EPMA-EDX）33-34
• 2.4 复合电极材料的电容性能测试34-37
• 2.4.1 工作电极的制备34
• 2.4.2 电容性能测试方法34-37
• 2.4.2.1 循环伏安法测试(CV)35
• 2.4.2.2 恒电流充放电测试(GCD)35-37
• 第三章 Zn片还原法简便快速制备三维石墨烯及其电容性能研究37-52
• 3.1 引言37
• 3.2 Zn片还原法制备三维石墨烯的过程37-40
• 3.2.1 氧化石墨烯的（GO）制备37-39
• 3.2.2 三维石墨烯气凝胶的制备39
• 3.2.3 实验原理39-40
• 3.3 Zn片还原法制备的三维石墨烯结构表征40-43
• 3.4 电解质对所制备三维石墨烯电容性能的影响43-44
• 3.5 三维石墨烯电极材料的电化学性能测试44-49
• 3.5.1 HCl浓度对所制备三维石墨烯电容性能的影响44-46
• 3.5.2 GO浓度对所制备三维石墨烯电容性能的影响46-47
• 3.5.3 反应时间对所制备的三维石墨烯电容性能的影响47-49
• 3.6 最佳实验条件下制备的三维石墨烯电极材料的电化学性能49-50
• 3.7 本章小结50-52
• 第四章 水热法制备三维石墨烯负载金属氧化物复合材料及其电容性能研究52-71
• 4.1 引言52
• 4.2 水热法合成MnO_2/3DG复合材料的制备52-53
• 4.3 实验原理53-54
• 4.4 MnO_2/3DG复合材料的形貌与结构表征54-56
• 4.5 R和S-MnO_2/3DG复合材料的电容性能56-57
• 4.6 制备条件对R-MnO_2/3DG复合电极材料电容性能的影响57-64
• 4.6.1 MnO_2负载量对R-MnO_2/3DG复合材料的电容性能的影响57-59
• 4.6.2 水热温度对R-MnO_2/3DG复合材料电容性能的影响59-60
• 4.6.3 水热时间对R-MnO_2/3DG复合材料电容性能的影响60-61
• 4.6.4 最佳实验条件下R-MnO_2/3DG复合材料的电化学性能61-64
• 4.7 Ni_xCo_yO_z/3DG复合材料的制备及其电化学性能研究64-70
• 4.7.1 水热法合成Ni_xCo_yO_z/3DG复合材料实验过程64-65
• 4.7.2 Ni_xCo_yO_z/3DG复合材料的EPMA表征65
• 4.7.3 Ni_xCo_yO_z/3DG复合材料电化学性能65-68
• 4.7.4 NiCo_2O_4/3DG复合材料的结构表征68-70
• 4.8 本章小结70-71
• 结论与展望71-73
• 参考文献73-82
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果82-83
• 致谢83-84
• 附件84

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