石墨烯及石墨烯复合材料在超级电容器中的应用

发布时间：2017-09-17 05:44

  本文关键词：石墨烯及石墨烯复合材料在超级电容器中的应用

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【摘要】：电极材料是超级电容器的关键因素,决定着超级电容器主要性能指标。根据储能机理超级电容器电极材料主要分为双电层材料和赝电容材料。石墨烯(双电层材料)作为一种sp2杂化的单原子二维材料,具有较高的比表面积、优异的导电性,因此作为超级电容器电极材料石墨烯具有良好的双电层稳定性和循环寿命;四氧化三铁和二氧化锰(赝电容材料)可以提供很好的赝电容性能并且价格十分低廉,但是导电性较低,比容量随循环次数衰减较为严重。本文通过不同的手段,制备石墨烯/Fe_3O_4、石墨烯/MnO_2复合材料,充分发挥两种材料的优异性能,从而有望制备出电化学性能优异的超级电容器。采用改进Hummer的方法制备氧化石墨烯水溶液,Fe_3O_4纳米粒子采用经典的共沉淀方法制备。本文中采用一步还原自组装的方法还原氧化石墨烯,收缩的还原石墨烯片层网络富集溶液中Fe_3O_4纳米颗粒,制得了石墨烯Fe_3O_4复合材料。研究了制备过程中温度、反应物料配比、对石墨烯/Fe_3O_4复合材料电化学性能的影响,研究表明在90℃、2.5mL Fe_3O_4的条件下,所制备的电极材料性能最佳。通过BET分析所制备的复合材料为石墨烯片层组成的狭缝孔结构,具有373.9m2/g的比表面积。电化学性能测试表明复合材料在1mol/L LiClO4/碳酸丙烯酯中比容量达到219F/g(20mV/s、-0.3~1.4Vvs.SCE)。在10A/g的大电流充放电测试中,1500次循环之后仍保持97%的比容量86F/g。通过等离子体增强气相沉积分别在不同的集流体:不锈钢、泡沫镍、不锈钢网表面制备石墨烯纳米墙,研究了不同集流体对对石墨烯纳米墙电容特性的影响,研究发现反应不锈钢表面制备的石墨烯纳米墙在1mol/L LiClO4/PC有机电解质中,电化学窗口为1.7V扫描速率30mV/s条件下获得51F/g的比容量。本文以2mol/L Mn(CH3OO)2/C2H5OH为原料,直流电源作为沉积电压,在石墨烯纳米墙表面电化学沉积MnO_2。研究了沉积电压、沉积时间对石墨烯纳米墙/MnO_2电容特性的影响,研究表明,在0.9V直流电压,10min沉积时间制备所得的石墨烯纳米墙/MnO_2,在1mol/L LiClO4/PC有机电解质中,比容量达到115F/g,在测试参数一致的情况下,是单一石墨烯纳米墙为电极的2倍。在30mV/s~1000mV/s扫描速率范围内循环伏安曲线均无形变保持稳定,在5000次循环后仍保留95%的比容量。
【关键词】：超级电容器 复合材料 石墨烯 四氧化三铁 二氧化锰
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53;TB33
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 引言9-21
• 1.1 超级电容器的概述9-10
• 1.2 超级电容器的原理10-13
• 1.2.1 双电层超级电容器工作原理10-11
• 1.2.2 法拉第赝电容工作原理11-12
• 1.2.3 超级电容器的分类12-13
• 1.3 超级电容器电极材料研究进展13-17
• 1.3.1 双电层电极材料13-15
• 1.3.2 赝电容超级电容器电极材料15-17
• 1.4 基于石墨烯及石墨烯复合材料在超级电容器中的应用17-19
• 1.4.1 石墨烯的简介17
• 1.4.2 石墨烯及其复合材料在超级电容器中的应用17-19
• 1.5 本课题选题的提出及研究内容19-21
• 2 实验条件和表征评价方法21-30
• 2.1 电极材料的表征21-25
• 2.1.1 X射线衍射（XRD）分析21
• 2.1.2 比表面积及孔隙结构分析21-24
• 2.1.3 扫描电子显微镜（SEM）分析24
• 2.1.4 拉曼光谱（Raman spectra）分析24-25
• 2.2 电化学性能测试及计算方法25-30
• 2.2.1 循环伏安测试25-27
• 2.2.2 交流阻抗测试27-28
• 2.2.3 恒流充放电测试28-29
• 2.2.4 循环稳定性29-30
• 3 石墨烯/Fe_3O_4复合材料的制备及性能研究30-46
• 3.1 引言30-31
• 3.2 实验试剂及实验设备31-32
• 3.2.1 实验试剂31
• 3.2.2 实验设备31-32
• 3.3 实验部分32-33
• 3.3.1 氧化石墨烯的制备32
• 3.3.2 Fe_3O_4纳米粒子的制备32
• 3.3.3 石墨烯/Fe_3O_4复合材料的制备32-33
• 3.3.4 石墨烯/Fe_3O_4复合材料的表征33
• 3.3.5 石墨烯/Fe_3O_4复合材料电化学性能测试33
• 3.4 结果与讨论33-44
• 3.4.1 还原石墨烯的纳曼光谱分析33-34
• 3.4.2 石墨烯/Fe_3O_4复合材料自组装原理分析34-35
• 3.4.3 反应温度对石墨烯/Fe_3O_4复合材料的研究35-36
• 3.4.4 Fe_3O_4纳米粒子的量对石墨烯/Fe_3O_4复合材料的影响36-37
• 3.4.5 石墨烯/Fe_3O_4复合材料比表面积及空隙结构分析37-38
• 3.4.6 石墨烯/Fe_3O_4复合材料表面微观结构及元素分析38-39
• 3.4.7 石墨烯/Fe_3O_4复合材料的循环伏安测试39-42
• 3.4.8 石墨烯/Fe_3O_4复合材料交流阻抗曲线分析42
• 3.4.9 石墨烯/Fe_3O_4复合材料恒流充放电曲线分析42-43
• 3.4.10 石墨烯/Fe_3O_4复合材料循环寿命分析43-44
• 3.5 本章小结44-46
• 4 石墨烯纳米墙/MnO_2复合材料的研究46-60
• 4.1 引言46
• 4.2 实验试剂及实验设备46-47
• 4.2.1 实验试剂46-47
• 4.2.2 实验设备47
• 4.3 实验部分47-48
• 4.3.1 石墨烯纳米墙的制备47
• 4.3.2 石墨烯纳米墙/MnO_2复合材料的制备47-48
• 4.3.3 材料的表征48
• 4.3.4 电化学性能表征48
• 4.4 结果与讨论48-58
• 4.4.1 石墨烯纳米墙结构的表征48-51
• 4.4.2 石墨烯纳米墙/MnO_2复合材料结构的表征51-55
• 4.4.3 石墨烯纳米墙/MnO_2复合材料电化学性能表征55-58
• 4.5 本章小结58-60
• 5 结论60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-68
• 附录68
• 作者在攻读硕士学位期间取得的学术成果68

【参考文献】

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本文编号：867615