石墨烯基超级电容器电极材料的制备和性能研究
发布时间：2021-01-23 04:31
超级电容器作为一种新型储能器件,在通信、交通、电子、国防等诸多领域具有重要的应用价值和巨大的市场潜力,其电容性能主要依赖于电极材料。石墨烯因为自身优异的导电性、独特的二维结构和优异的物化特性而成为最有潜力的双电层超级电容器电极材料。目前,通过不同的氧化-还原法制备出的石墨烯材料性质各有不同,其电容性能也相差很大;同时单一石墨烯电极材料的比电容不高,不能满足超级电容器的高能量密度要求。针对这些不足,本研究通过改变水热还原的条件来获得具有一定电容性质的石墨烯材料;另外,在石墨烯表面和层间负载具有赝电容性质的氧化物以满足电极材料的高比电容要求。本论文对石墨烯及其复合电极材料的制备、电化学性能进行了研究,主要研究内容如下:一、氧化石墨烯的酸性还原及电化学性能研究采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯（GO）,在酸性条件（pH=5）下以180°C进行水热还原,通过调节水热反应时间来制备不同还原程度的还原氧化石墨烯（RGO）。结果表明:控制水热反应时间可以制备出还原程度不同的RGO,在电化学测试中,随着水热反应时间的增加,RGO电极的比电容呈先上升后下降的趋势。当水热反应时间为6 h时,RGO电...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的结构示意图
石墨烯基超级电容器电极材料的制备和性能研究6的功率特性。Uiz等[19]研究了由中间相沥青合成的无粘结剂、高孔隙率的活性炭单体作为超级电容器的电极，由此电极制备的电容器在H2SO4电解液中提供了高达334F/g的比电容值，同时表现出极低的电阻率。然而相比于传统的原料中提取的活性炭材料，从生物物质中提取的活性炭材料用作电极可以表现出更佳的电化学性能。JinH等[20]以大蓝茎生物炭为基础提取活性炭原料，然后用NaHCO3、NaOH和KOH溶液为试剂对活性炭分别进行处理，处理后的三种形貌如图1-2所示。研究发现通过KOH活化可以得到比表面积可达2490m2/g的活性炭，其面积远高于从石油沥青中提取的活性炭。在电化学测试中KOH活性炭电极可以获得283F/g的高比电容，同时其内部电阻处于较低水平。ChenX等[21]以马铃薯为前驱体，对其依次进行水热处理、炭化、KOH活化后制备出三维活性炭(AC)。在电化学测试中，马铃薯衍生的AC在1A/g充放电电流密度时获得了高达269F/g比电容，同时表现出理想的速率性能和优越的循环稳定性；另外在电流密度为1A/g的情况下，组装的对称电容器能够提供较高的比电容（48F/g）和较高的能量密度（4.27Wh/kg）。从以上活性炭的研究可以看出，双电层活性炭电极的比电容基本在150~300F/g之间，其电容性质主要取决于其比表面积的高低，而采用不同的制备工艺及表面改性可以制备出性质不一的活性炭，因此活性炭的制备工艺及表面物理改性对提升电极材料的电化学性能至关重要。图1-2不同活化剂处理的活性炭的形貌（A-NaHCO3,B-NaOH,C-KOH）Fig.1-2Morphologyofactivatedcarbontreatedwithdifferentactivators（A-NaHCO3,B-NaOH,C-KOH）1.3.1.2碳纳米管碳纳米管(CNTs)作为一种新型碳纳米材料，它是一种由石墨烯层卷曲而成的?
石墨烯基超级电容器电极材料的制备和性能研究8m2/g的Pt-石墨烯复合材料，电化学测试表明Pt-石墨烯电极的比电容高达269F/g，远远高于干燥后石墨烯电极的14F/g比电容。图1-3石墨烯的结构示意图Fig.1-3Schematicdiagramofgraphenestructure另外在研究中发现，表面具有含氧官能团的石墨烯在电化学测试中表现出较佳的电容性能。ChenY等[31]采用氢溴酸还原剂制备出部分还原氧化石墨烯(RGO)，因为石墨烯上保留的含氧基团改善了电极与水性电解质的亲水性。所制备的石墨烯电极在1mol/L硫酸电解液中，电流密度为0.2A/g时其比电容最大可达348F/g。另外，通过化学改性的方法对石墨烯纳米片进行表面改性，也可以提高石墨烯的电容性能。LiY等[32]采用氢氧化钾溶液(KOH)对石墨烯纳米片进行表面化学改性，结果表明KOH处理后的石墨烯比电容为136F/g，相比于原始石墨烯纳米片的比电容，增加了约35%。此外，因为石墨烯独特的二维纳米平面结构以及突出的导电性，石墨烯被广泛应用于超级电容器电极复合材料中。HwangJY等[33]通过简单合成-加工激光刻制的方法制成石墨烯/二氧化钌(RuO2)纳米复合材料，这种不含粘合剂和金属集流体的石墨烯/RuO2薄膜直接被用作超级电容器电极材料，其比电容可以达到1139F/g，另外具有更高的循环稳定性和优异的倍率性能。CongHP等[34]将聚苯胺纳米棒在石墨烯纸进行电位沉积制备出柔性石墨烯-聚苯胺纸，其作为电极表现出优异的超级电容性能，在1A/g电流密度下复合材料电极比电容达到763F/g，且具有优异的循环稳定性。1.3.2法拉第赝电容器的电极材料1.3.2.1金属氧化物与双电层电容器碳材料电极相比，金属氧化物作为电极材料主要通过在表面及内部与电解液通过可逆的氧化还原反应来进行储存和释放电荷，因此电极化学反应?
本文编号：2994554
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的结构示意图
石墨烯基超级电容器电极材料的制备和性能研究6的功率特性。Uiz等[19]研究了由中间相沥青合成的无粘结剂、高孔隙率的活性炭单体作为超级电容器的电极，由此电极制备的电容器在H2SO4电解液中提供了高达334F/g的比电容值，同时表现出极低的电阻率。然而相比于传统的原料中提取的活性炭材料，从生物物质中提取的活性炭材料用作电极可以表现出更佳的电化学性能。JinH等[20]以大蓝茎生物炭为基础提取活性炭原料，然后用NaHCO3、NaOH和KOH溶液为试剂对活性炭分别进行处理，处理后的三种形貌如图1-2所示。研究发现通过KOH活化可以得到比表面积可达2490m2/g的活性炭，其面积远高于从石油沥青中提取的活性炭。在电化学测试中KOH活性炭电极可以获得283F/g的高比电容，同时其内部电阻处于较低水平。ChenX等[21]以马铃薯为前驱体，对其依次进行水热处理、炭化、KOH活化后制备出三维活性炭(AC)。在电化学测试中，马铃薯衍生的AC在1A/g充放电电流密度时获得了高达269F/g比电容，同时表现出理想的速率性能和优越的循环稳定性；另外在电流密度为1A/g的情况下，组装的对称电容器能够提供较高的比电容（48F/g）和较高的能量密度（4.27Wh/kg）。从以上活性炭的研究可以看出，双电层活性炭电极的比电容基本在150~300F/g之间，其电容性质主要取决于其比表面积的高低，而采用不同的制备工艺及表面改性可以制备出性质不一的活性炭，因此活性炭的制备工艺及表面物理改性对提升电极材料的电化学性能至关重要。图1-2不同活化剂处理的活性炭的形貌（A-NaHCO3,B-NaOH,C-KOH）Fig.1-2Morphologyofactivatedcarbontreatedwithdifferentactivators（A-NaHCO3,B-NaOH,C-KOH）1.3.1.2碳纳米管碳纳米管(CNTs)作为一种新型碳纳米材料，它是一种由石墨烯层卷曲而成的?
石墨烯基超级电容器电极材料的制备和性能研究8m2/g的Pt-石墨烯复合材料，电化学测试表明Pt-石墨烯电极的比电容高达269F/g，远远高于干燥后石墨烯电极的14F/g比电容。图1-3石墨烯的结构示意图Fig.1-3Schematicdiagramofgraphenestructure另外在研究中发现，表面具有含氧官能团的石墨烯在电化学测试中表现出较佳的电容性能。ChenY等[31]采用氢溴酸还原剂制备出部分还原氧化石墨烯(RGO)，因为石墨烯上保留的含氧基团改善了电极与水性电解质的亲水性。所制备的石墨烯电极在1mol/L硫酸电解液中，电流密度为0.2A/g时其比电容最大可达348F/g。另外，通过化学改性的方法对石墨烯纳米片进行表面改性，也可以提高石墨烯的电容性能。LiY等[32]采用氢氧化钾溶液(KOH)对石墨烯纳米片进行表面化学改性，结果表明KOH处理后的石墨烯比电容为136F/g，相比于原始石墨烯纳米片的比电容，增加了约35%。此外，因为石墨烯独特的二维纳米平面结构以及突出的导电性，石墨烯被广泛应用于超级电容器电极复合材料中。HwangJY等[33]通过简单合成-加工激光刻制的方法制成石墨烯/二氧化钌(RuO2)纳米复合材料，这种不含粘合剂和金属集流体的石墨烯/RuO2薄膜直接被用作超级电容器电极材料，其比电容可以达到1139F/g，另外具有更高的循环稳定性和优异的倍率性能。CongHP等[34]将聚苯胺纳米棒在石墨烯纸进行电位沉积制备出柔性石墨烯-聚苯胺纸，其作为电极表现出优异的超级电容性能，在1A/g电流密度下复合材料电极比电容达到763F/g，且具有优异的循环稳定性。1.3.2法拉第赝电容器的电极材料1.3.2.1金属氧化物与双电层电容器碳材料电极相比，金属氧化物作为电极材料主要通过在表面及内部与电解液通过可逆的氧化还原反应来进行储存和释放电荷，因此电极化学反应?
本文编号：2994554
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2994554.html
