氮掺杂石墨烯电极的构筑及其电化学性能研究

发布时间：2017-06-30 01:03

  本文关键词：氮掺杂石墨烯电极的构筑及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型储能器件,具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等特点,在混合动力汽车、电信通讯、军事等领域有着广阔的应用市场。石墨烯水凝胶具有良好的三维结构,拥有较高的比表面积和较低的密度,具有良好的热稳定性、导电性,同时富含孔隙结构,将其应用在超级电容器领域具有非常重要的意义。然而,纯石墨烯水凝胶应用在超级电容器中其双电层电容的比容量和能量密度远低于赝电容材料,无法满足实际需求。如何在保持石墨烯水凝胶所具有的高循环稳定性和快速充放电能力的同时,大幅度提升比容量和能量密度,是本文拟解决的关键科学问题。我们将采用电泳沉积法,将高度氮掺杂石墨烯量子点掺杂到石墨烯水凝胶中,构筑氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极材料。在不破坏石墨烯水凝胶原有的内连通多孔有利于双电层电容的空间结构的基础上,石墨烯量子点作为碳材料的掺入将增加双电层电容。更重要的是,量子点表面和边缘的氮活性位作为赝电容活性物质将大幅度提升电极材料的比容量和能量密度。另外,我们探索采用电泳沉积法将氮掺杂石墨烯量子点电沉积到金叉指电极上,制备出了电化学性能优异的石墨烯量子点微型超级电容器。本论文的研究内容主要包括以下三个方面:1.氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极的制备及其表征。我们采用电泳沉积法将高浓度氮掺杂的石墨烯量子点负载到石墨烯水凝胶上,制备出多孔、内连通、比表面积高的氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极,通过TEM、AFM、SEM、XRD、XPS、Raman和FTIR等分别对石墨烯量子点、石墨烯水凝胶和氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极材料进行形貌和结构的表征。2.氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极电化学性能的研究及其在对称型超级电容器中的应用。在三电极体系中,以1M H2SO4为电解液,通过研究沉积电压和时间对氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极的电化学性能的影响,确定电压30 V和沉积时间20 min作为具有最佳电化学性能的电极的沉积条件。所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极在1 mA cm-2的电流密度下的比容量高达1401 mF cm-2,远高于相同电流密度下石墨烯水凝胶电极的比容量(599.9 mF cm-2)。当电流密度提高到100 mA cm-2时,氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极的比容量仍能达到1040 mF cm-2,为1 mA cm-2时的74%,表明所制备的氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极具有高倍率充放电性能。氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极组装成对称型超级电容器,在0.2 mA cm-2电流密度下,该超级电容器的比容量可以达到1025.6 mF cm-2(579 F g-1),具有71.2μWh cm-2(20.1 Wh kg-1)的高能量密度。将三个氮掺杂石墨烯水凝胶对称型超级电容器串联后,在15 mA cm-2的电流密度下,充电15.2 s后,可以将工作电压为2 V的红色LED持续点亮长达40 min,这说明该超级电容器具有实际应用价值。在15 mA cm-2的电流密度下,经过10000次充放电循环后,该超级电容器的容量保留率为93%,说明氮掺杂石墨烯水凝胶超级电容器不仅具有高的比容量和能量密度,而且具有优异的循环稳定性。3.氮掺杂石墨烯量子点在微型超级电容器上的应用。采用水合肼碱催化水相分子融合法制备出高浓度氮掺杂的石墨烯量子点,并通过AFM、TEM、XPS、Raman等对其进行表征,然后采用电沉积法将量子点沉积到金叉指电极上,制备成氮掺杂石墨烯量子点微型超级电容器。分别选用1 M H2SO4溶液和H3PO4-PVA作为电解质,研究氮掺杂石墨烯量子点微型超级电容器的电化学性能。在1 M H2SO4电解液中,电流密度为50μA cm-2时,氮掺杂石墨烯量子点微型超级电容器有的面容量达到41.8 mF cm-2,能量密度为5.8μWh cm-2。在扫描速率为1 V s-1时,氮掺杂石墨烯量子点微型超级电容器经过5000次充放电循环后仍有91%的容量保持率;以H3PO4-PVA为电解质,电流密度为10μA cm-2时,组装的全固态石墨烯量子点微型超级电容器的面容量为19.3 mF cm-2,能量密度达到2.7μWh cm-2。在扫描速率为1 V s-1时,该全固态微型超级电容器经过5000次充放电循环后仍有90%的容量保持率,说明氮掺杂石墨烯量子点微型超级电容器具有优秀的电化学性能和循环稳定性。
【关键词】：氮掺杂 石墨烯量子点 石墨烯水凝胶 电泳沉积法 超级电容器
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-29
• 1.1 引言14-15
• 1.2 超级电容器简介15-22
• 1.2.1 超级电容器的工作原理16-17
• 1.2.2 超级电容器的结构与分类17-19
• 1.2.3 超级电容器的特点19-20
• 1.2.4 超级电容器的应用领域20-22
• 1.3 超级电容器电极材料22-25
• 1.3.1 双电层电极材料22-24
• 1.3.2 赝电容电极材料24-25
• 1.4 氮掺杂对碳基材料电容性能的改性25-26
• 1.5 石墨烯量子点的简介26-27
• 1.6 本课题研究的目的与内容27-29
• 第二章 实验材料与实验方法29-37
• 2.1 实验原料及仪器设备29-30
• 2.1.1 主要实验原料和试剂29
• 2.1.2 主要仪器设备29-30
• 2.2 材料的表征方法30-33
• 2.2.1 扫描电子显微镜分析（SEM）30
• 2.2.2 透射电子显微镜分析（TEM）30-31
• 2.2.3 能谱分析仪（EDS）31
• 2.2.4 X射线衍射分析（XRD）31
• 2.2.5 拉曼光谱分析（Raman）31
• 2.2.6 X射线光电子能谱（XPS）31-32
• 2.2.7 傅里叶变换红外光谱技术分析（FTIR）32
• 2.2.8 原子力显微镜(AFM)32
• 2.2.9 固液吸附法测定固体比表面积32-33
• 2.3 电化学性能测试33-36
• 2.3.1 电极测试体系33-34
• 2.3.2 循环伏安法测试34-35
• 2.3.3 恒流充放电测试35-36
• 2.3.4 交流阻抗谱测试36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极的制备及其表征37-58
• 3.1 引言37-38
• 3.2 实验部分38-41
• 3.2.1 三维网状结构石墨烯水凝胶的制备38-39
• 3.2.2 碱催化水相分子融合法制备氮掺杂石墨烯量子点39-40
• 3.2.3 电泳沉积法制备三维氮掺杂石墨烯水凝胶复合材料40-41
• 3.3 实验结果与讨论41-57
• 3.3.1 氮掺杂石墨烯量子点的表征41-47
• 3.3.2 三维石墨烯水凝胶电极材料的表征47-51
• 3.3.3 氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极材料的表征51-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第四章 氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极的电容性能及其在对称型超级电容器中的应用58-69
• 4.1 引言58
• 4.2 实验部分58-60
• 4.2.1 氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极组装成对称型超级电容器58-59
• 4.2.2 氮掺杂石墨烯水凝胶电极的电容性能测试59
• 4.2.3 氮掺杂石墨烯水凝胶对称型超级电容器的电容性能测试59-60
• 4.3 实验结果与讨论60-68
• 4.3.1 氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极电容性能研究60-63
• 4.3.2 氮掺杂石墨烯水凝胶三维电极组装成对称型超级电容器的电化学性能研究63-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 氮掺杂石墨烯量子点在微型超级电容器上的应用69-82
• 5.1 引言69-70
• 5.2 实验部分70-72
• 5.2.1 碱催化水相分子融合法制备氮掺杂石墨烯量子点70
• 5.2.2 氮掺杂石墨烯量子点电极的制备70-71
• 5.2.3 H_3PO_4-PVA电解质的制备71
• 5.2.4 氮掺杂石墨烯量子点微型超级电容器的电容性能测试71-72
• 5.3 实验结果与讨论72-80
• 5.3.1 氮掺杂石墨烯量子点的表征72-76
• 5.3.2 氮掺杂石墨烯量子点电极的表征76-77
• 5.3.3 氮掺杂石墨烯量子点微型超级电容器的电化学性能77-80
• 5.4 本章小结80-82
• 第六章 结论与研究展望82-86
• 6.1 全文结论82-83
• 6.2 论文创新点83-84
• 6.3 研究展望84-86
• 参考文献86-95
• 作者在攻读硕士学位期间科研成果95-96
• 致谢96

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