煤基石墨烯宏观体及其复合材料的制备与电化学性能研究

发布时间：2017-09-15 09:14

  本文关键词：煤基石墨烯宏观体及其复合材料的制备与电化学性能研究

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【摘要】：超级电容器具有绿色环保、比能量大、比功率高等优点,是具有良好发展前景的储能器件之一,其电极材料的结构与性能是决定超级电容器性能的关键。本论文以煤基氧化石墨烯(CGO)为原料,采用水热自组装方法制备煤基石墨烯宏观体,并通过MnO2和PANI的复合改性制备新型电极材料。论文重点探究了电极材料结构与性能的关系,研究工作对超级电容器新型电极材料制备开发和煤的功能材料化转化有一定的理论指导意义。主要创新性结果如下:以太西煤为原料制备的CGO为前驱体,采用水热自组装方法制备了煤基石墨烯宏观体(3D-CG),利用FT-IR、XRD、Raman、SEM和TEM等分析手段表征了其组成结构,研究了常见水系电解液对煤基石墨烯宏观体的超级电容特性的影响。结果表明:3DCG为石墨烯片层无序连接自支撑的多孔三维结构,这种结构能够有效抑制石墨烯在应用过程中的团聚;在6 M KOH碱性电解液体系和1 M H2SO4酸性电解液体系,用3DCG作为超级电容器的电极材料,发现该电极材料在两种溶剂中均具有双电层电容和赝电容两种效应,比电容分别为为248.41 F/g和256.25 F/g;在1 M Na2SO4中性电解液中,3D-CG电极仅有双电层电容效应,比电容仅有149.52 F/g。以氯化锰、二氧化锰和CGO为原料,采用水热自组装法制备了MnO2/石墨烯宏观体复合材料(3D-MnCG),通过XRD、SEM、TEM和Roman等手段对其结构进行了表征。利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等电化学方法测试了3D-MnCG的电化学性能。结果表明:MnO2粒子以无定形态均匀地分布在3D-MnCG的石墨烯片层及其边缘上;当氧化石墨烯质量占60 wt%时,3D-MnCG的电化学性能最佳,首次充放电比电容可高达180.12 F/g;1000次充放电循环后的比容量为首次充放电比容量的86.9%。以聚苯胺和CGO为前驱体,通过水热自组装法制备PANI/石墨烯宏观体复合材料(3D-PCG),采用FT-IR、XRD、Raman、SEM和TEM等方法分析了其组成结构,通过电化学测试手段研究了复合电极材料的电化学性能。研究结果表明:聚苯胺以纳米棒状结构均匀镶嵌到3D-PCG的网状结构中;聚苯胺与3D-CG质量比为1:2时,复合材料的电化学性质优于PANI和3D-CG,比电容可达663.23 F/g。
【关键词】：石墨烯 三维 电极材料 电化学性能 复合材料
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB332
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 主要符号一览表8-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 超级电容器10-13
• 1.2.1 超级电容器的历史沿革10-11
• 1.2.2 超级电容器的电极材料11-13
• 1.3 石墨烯及其宏观材料13-17
• 1.3.1 石墨烯及其宏观体的结构与性质13-15
• 1.3.2 一维石墨烯纤维的制备15
• 1.3.3 二维石墨烯膜的制备15-16
• 1.3.4 三维石墨烯宏观体的制备16-17
• 1.4 石墨烯及其宏观材料在超级电容器中的应用17-18
• 1.5 煤基石墨烯的发展现状18
• 1.6 研究内容及技术路线18-20
• 1.6.1 研究思路及研究内容18-19
• 1.6.2 技术路线19-20
• 2 实验部分20-25
• 2.1 主要化学试剂和仪器设备20-21
• 2.1.1 化学试剂20
• 2.1.2 仪器设备20-21
• 2.2 实验方法21-22
• 2.2.1 煤基氧化石墨烯的制备21
• 2.2.2 煤基石墨烯宏观体的制备21
• 2.2.3 MnO_2/煤基石墨烯宏观体复合材料的制备21-22
• 2.2.4 PANI/煤基石墨烯宏观体复合材料的制备22
• 2.2.5 工作电极的制备22
• 2.3 结构组成分析与表征22-23
• 2.3.1 红外光谱分析（FT-IR）22
• 2.3.2 X射线衍射分析（XRD）22-23
• 2.3.3 拉曼光谱分析（Roman）23
• 2.3.4 热重分析（TGA）23
• 2.3.5 比表面积分析（BET）23
• 2.3.6 扫描电子显微镜（SEM）23
• 2.3.7 透射电镜分析（TEM）23
• 2.4 性能分析与表征23-25
• 2.4.1 电导率测试23-24
• 2.4.2 循环伏安测试24
• 2.4.3 恒电流充放电测试24
• 2.4.4 交流阻抗法测试24-25
• 3 煤基石墨烯宏观体的制备及其电化学性能研究25-33
• 3.1 引言25
• 3.2 3D-CG的结构与性质研究25-29
• 3.3 在水系电解液中 3D-CG的电化学性能29-31
• 3.4 本章小结31-33
• 4 MnO_2/煤基石墨烯宏观体复合材料的制备及其电化学性能研究33-40
• 4.1 引言33
• 4.2 3D-MnCG的组成及结构33-36
• 4.3 3D-MnCG的超级电容特性36-39
• 4.4 本章小结39-40
• 5 PANI/煤基石墨烯宏观体复合材料的制备及其电化学性能研究40-46
• 5.1 引言40
• 5.2 3D-PCG的组成及结构40-43
• 5.3 3D-PCG的超级电容特性43-45
• 5.4 本章小结45-46
• 6 结论与展望46-48
• 6.1 结论46
• 6.2 展望46-48
• 致谢48-49
• 参考文献49-54
• 附录54

【参考文献】

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1 张亚婷;张晓欠;刘国阳;司云鹏;云卉;周安宁;;神府煤制备超细石墨粉[J];化工学报;2015年04期

2 周国s，

本文编号：855615