碳基纳米复合材料的制备及其应用于超级电容器

发布时间：2020-05-07 21:05

【摘要】：时代的发展需要消耗大量的能源,然而化石燃料的不可再生性和污染性使得开发出具有快速充放电、绿色环保和循环稳定性好的新型能源设备显得尤为重要。超级电容器兼有传统电容器倍率性能好和电池能量高的优点,使得全球各国都对其进行大力研究。电极材料是超级电容器中最重要的元素,所以发展新的电极材料尤为重要。目前超级电容器的电极材料主要是碳材料和导电聚合物。这两种电极材料都各自的优缺点,当它们单独用作电极材料时,碳材料具有化学性质稳定和循环稳定性好的优点,但其比电容过低;导电聚合物虽能大幅提高比电容,但其循环稳定性差,会严重影响使用寿命。为了获得高性能的超级电容器,我们尝试将碳材料(如石墨烯、泡沫碳)与聚苯胺制备纳米复合材料,构建了三种新型超级电容器,具体内容如下:1.石墨烯一体电极简单、快速的制备及其在超级电容器中的应用:本工作通过电化学活化的方式制备了高度分层的石墨烯一体电极(AG)。采用扫描电镜、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、X射线粉末衍射和X射线光电子能谱等技术和电化学方法来表征AG材料。着重研究了不同电活化时间对该电极电化学性能的影响。在电活化时间为120 s时,AG材料发生高度分层,且表面形成大量的三维褶皱结构,从而提高AG材料的比表面积以及电化学性能。实验结果表明,基于AG材料制备的超级电容器在电流密度为0.5 mA cm~(-2),其比电容可达到314mF cm~(-2)。在电流密度为10 mA cm~(-2)时,超级电容器循环5000圈后,比电容仍能保持为原来的86%,说明制备的超级电容器具有良好的循环寿命。2.聚苯胺/共价有机框架/石墨烯纳米复合材料的制备及其在超级电容器中的应用:首先通过电化学剥离制备具有三维石墨烯结构的一体电极(EG),然后在其表面上负载共价有机框架材料(COF-LZU1)形成COF-LZU1-EG一体电极,最后在其表面经电化学聚合聚苯胺得到PANI-COF-LZU1-EG一体电极,用于构建高性能的超级电容器。采用扫描电镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱等技术对所获得的材料进行表征。结果表明,COF-LZU1能够均匀负载在三维石墨烯一体电极上,提高了材料的比表面积。聚苯胺以三维多孔的结构负载在COF-LZU1-EG一体电极上,有利于增加材料的比电容和循环性能。该电极材料在扫描速率为10 mV s~(-1)时,比电容可高达3748.3 mF cm~(-2),远远超过其他基于聚苯胺制备的超级电容器。3.基于聚苯胺/碳纳米管/三维多孔碳复合材料的超级电容器的研究:首先将三聚氰胺泡沫浸泡钴盐中,然后经高温碳化得到碳纳米管包裹的三维多孔碳框架材料(CNT-CF),进一步负载聚苯胺后获得PANI-CNT-CF应用于超级电容器。碳纳米管包裹在三维多孔碳框架的骨架上,不仅提高了材料的导电性,还为进一步负载聚苯胺提供了支撑,大大提高了PANI-CNT-CF的比电容。实验结果表明,该电极材料在电流密度为1 mA cm~(-2)时,比电容为1791.4 mF cm~(-2)。在电流密度为3 mA cm~(-2)时,比电容能够保持在原来的90%以上,说明该材料作为电极材料应用于超级电容器时具有较好的循环稳定性。
【图文】：

图1-1双电层电容器的工作原理示意图

碳基纳米复合材料的制备及其应用于超级电容器

赝电容电容器工作原理示意图
【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB332

【参考文献】