基于石墨烯及其复合材料超级电容器的研究

发布时间：2017-08-18 08:25

  本文关键词：基于石墨烯及其复合材料超级电容器的研究

  更多相关文章： 超级电容器 石墨烯 聚(3-4乙撑二氧噻吩) 水热 复合薄膜

【摘要】：当前,化石能源短缺和全球变暖导致的能源和环境问题日益凸显,大力发展清洁和可再生能源成了不可逆转的趋势。超级电容器作为一种介于传统电容器和锂离子电池之间的新型储能体系,能够提供大功率输出、具有超长的使用寿命和稳定性,应用前景广阔。石墨烯是由一个碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格状的单原子层,独特的二维共轭结构赋予其优异的导电性、力学性能、电化学稳定性以及巨大的理论比表面积,是理想的超级电容器电极材料。本文用改性的Hummers方法得到石墨烯的前驱体氧化石墨烯(GO),再利用水热法制备三维多孔石墨烯薄膜(rGO Films),同时采用涂膜的方法制备了石墨烯/聚(3,4乙撑二氧噻吩)(PEDOT)复合薄膜,并对其化学组成、形貌以及电化学性能进行了表征。本文的研究内容和结果如下:(1)向GO溶液加入少量HCl溶液(1:3的HCl溶液)形成GO凝胶,在机械振动作用下均匀分散,自然晾干得到GO薄膜。将得到的GO薄膜置于水热釜,180℃水热还原24 h后,在一定的机械压力作用下,得到三维多孔石墨烯薄膜。rGO薄膜在1 A/g充放电速率下具有218 F/g的比容量,且10000次充放电后电容量保持率为92%。水热还原制备的rGO薄膜组装成超级电容器后,表现出了优秀的体积比容量(246 F/cm3)、倍率性能(20A/g时的容量为初始容量的82.5%)以及循环稳定性(10000次充放电容量仅损失8%)。(2)将浓度为10.4 mg/mL的GO溶液与浓度为13 mg/mL的PEDOT/PSS分散液共混,待混合均匀后加入少量的质子酸(1:3的HI水溶液)振荡均匀形成凝胶。利用涂膜器将混合物凝胶涂覆在玻璃片上后静置5 h,再用浓硫酸处理除去PSS(聚苯乙烯磺酸),最后用HI还原得到石墨烯/PEDOT复合薄膜。实验结果表明:当GO与PEDOT/PSS的质量比为3:1时,石墨烯/PEDOT复合薄膜表现出了高的比容量和优异的倍率性能。此外,HI还原的时间长短对复合薄膜电化学性能也有比较大的影响。
【关键词】：超级电容器 石墨烯 聚(3-4乙撑二氧噻吩) 水热 复合薄膜
【学位授予单位】：北京服装学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53;TB33
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 超级电容器9-16
• 1.1.1 超级电容器的研究背景及意义10-11
• 1.1.2 超级电容器的发展概述11-12
• 1.1.3 超级电容器电极材料的分类12-14
• 1.1.4 超级电容器电的应用前景14-16
• 1.2 石墨烯16-21
• 1.2.1 石墨烯简介16-19
• 1.2.2 石墨烯的特点及在超级电容器中的应用前景19-20
• 1.2.3 石墨烯基复合材料20-21
• 1.3 本论文研究的内容及意义21-23
• 第2章 实验部分23-31
• 2.1 实验仪器与试剂23-24
• 2.1.1 实验仪器23
• 2.1.2 实验耗材及规格23-24
• 2.1.3 实验试剂24
• 2.2 材料制备24-27
• 2.2.1 氧化石墨烯（GO）的制备与提纯24-25
• 2.2.2 石墨烯薄膜的制备25
• 2.2.3 石墨烯薄膜超级电容器的组装25
• 2.2.4 石墨烯/PEDOT复合薄膜的制备25-26
• 2.2.5 石墨烯/PEDOT复合薄膜超级电容器的组装26
• 2.2.6 固态电解质的制备26
• 2.2.7 全固态超级电容器的组装26-27
• 2.3 材料结构表征27-31
• 2.3.1 结构与形貌表征27
• 2.3.2 MB吸附法测量石墨烯薄膜比表面积27-28
• 2.3.3 工作电极与超级电容器件的制备及电化学表征28-29
• 2.3.4 电容量的计算29-31
• 第3章 基于石墨烯薄膜超级电容器的研究31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 石墨烯薄膜结构的表征及分析31-36
• 3.2.1 SEM分析31-33
• 3.2.2 XRD分析33
• 3.2.3 AFM分析33-34
• 3.2.4 XPS和Raman分析34-36
• 3.3 石墨烯薄膜电化学测试及分析36-39
• 3.3.1 CV测试及分析36-37
• 3.3.2 恒流充放电测试及分析37
• 3.3.3 EIS测试及分析37-39
• 3.3.4 稳定性测试及分析39
• 3.4 单位面积质量对rGO超级电容器电化学性能的影响39-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第4章 基于石墨烯/PEDOT复合薄膜超级电容器的研究43-57
• 4.1 引言43-47
• 4.1.1 PEDOT的特点45-46
• 4.1.2 PEDOT作为超级电容器电极材料的优劣势46-47
• 4.1.3 本课题的研究思路47
• 4.2 实验结果与分析47-54
• 4.2.1 石墨烯/PEDOT复合薄膜的制备47-48
• 4.2.2 GO与PEDOT/PSS组分对复合薄膜电化学性能的影响48-52
• 4.2.3 还原条件对复合薄膜电化学性能的影响52-53
• 4.2.4 全固态超级电容器测试53-54
• 4.3 本章小结54-57
• 结论57-59
• 参考文献59-67
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文67-69
• 致谢69

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本文编号：693582