面向超级电容储能的垂直取向石墨烯纳米通道粗糙度及润湿特性调控

发布时间：2017-09-21 14:31

  本文关键词：面向超级电容储能的垂直取向石墨烯纳米通道粗糙度及润湿特性调控

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【摘要】：石墨烯作为新型二维材料,被视为超级电容储能的理想电极材料,在储能应用领域研究中具有广阔而深远的前景。但是,传统化学方法制备环节中极易形成大量层间团聚,严重影响活性载体的有效储能面积,限制了石墨烯储能能力。基于垂直取向石墨烯的新型超级电容器,可有效避免层间团聚、促进离子扩散和电荷转移,具有高效储能的潜力。然而,垂直取向石墨烯本征疏水的性质,直接制约了对材料有效利用,影响其储能潜力。本论文通过对垂直取向石墨烯微观粗糙度的修饰,实现其润湿特性的调控,改变有效储能面积,从而影响其储能性能,对垂直取向石墨烯超级电容储能性能与机理展开深入的研究与探讨。采用微波等离子体增强化学气相沉积方法,通过调整相关生长参数,制备具有高度分枝化结构的垂直取向石墨烯。利用毛细驱动形貌结构修饰方法,实现对垂直取向石墨烯纳米通道表面粗糙度的调控,获得了三种不同表面粗糙度的垂直取向石墨烯,其粗糙度由大至小排列依次为VGs-O VGs-A VGs-W。垂直取向石墨烯纳米通道表面粗糙度直接影响纳米通道内的固-液界面之间作用,决定垂直取向石墨烯表面润湿特性。研究发现,通过对表面粗糙度的修饰,可以简单有效地实现垂直取向石墨烯润湿特性的调控：液滴在粗糙度较大VGs-O表面形成3°的接触角,表现出超亲水特性；在粗糙度较小的VGs-W表面,液滴在呈椭球体,接触角为108.8°,呈现疏水特性；粗糙度居于二者之间的VGs-A表面接触角则为40.6°,表现为亲水特性。进一步研究具有不同表面粗糙度和润湿特性的垂直取向石墨烯超级电容储能性能。研究结果表明,VGs-O具有丰富的分枝边缘结构,为电荷储存提供了大量活性位点,其超亲水的润湿特性,进一步增加与电解质的有效接触。VGs-O体积电容达到4.08 F/cm3,大于粗糙度较小、较疏水的VGs-A (2.16 F/cm3)和VGs-W (1.58 F/cm3).但是,粗糙度较小的VGs-W纳米通道表面光滑,对粒子运动阻碍作用小,VGs-W的-45°频率高达1258 Hz,远大于VGs-O (50Hz)。本文对垂直取向石墨烯润湿特性与储能特性进行了详尽的研究与阐述,深入探讨垂直取向石墨烯润湿与储能机理,对垂直取向石墨烯超级电容器储能的发展具有前瞻性意义,有利于储能技术和可控器件相关领域的研究发展。
【关键词】：垂直取向石墨烯 界面 润湿 储能 超级电容器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53;TQ127.11
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 缩写符号表8-12
• 1 绪论12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 超级电容器研究12-16
• 1.2.1 超级电容器双电层模型13-14
• 1.2.2 超级电容器工作原理14-15
• 1.2.3 超级电容器储能特点15-16
• 1.3 固-液界面润湿现象研究16-19
• 1.3.1 润湿与接触角16-17
• 1.3.2 不均匀表面润湿17-19
• 1.4 垂直取向石墨烯研究19-27
• 1.4.1 垂直取向石墨烯制备研究20-23
• 1.4.2 垂直取向石墨烯润湿特性研究23-25
• 1.4.3 垂直取向石墨烯超级电容器研究25-27
• 1.5 本论文选题意义与研究内容27-30
• 1.5.1 本论文选题背景及意义27
• 1.5.2 本论文主要研究内容27-30
• 2 实验方法30-34
• 2.1 实验材料30
• 2.2 实验设备30-31
• 2.3 材料表征方法31-32
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)31
• 2.3.2 X-射线光电子能谱(XPS)31
• 2.3.3 激光拉曼光谱分析(Raman)31-32
• 2.4 润湿特性表征32
• 2.4.1 光学接触角测试32
• 2.4.2 液滴撞击实验测试32
• 2.5 电化学性能表征32-34
• 2.5.1 循环伏安法32-33
• 2.5.2 电化学阻抗谱法33-34
• 3 垂直取向石墨烯表面粗糙度调控研究34-42
• 3.1 引言34
• 3.2 实验部分34-36
• 3.2.1 垂直取向石墨烯的制备34-35
• 3.2.2 垂直取向石墨烯表面粗糙度调控35-36
• 3.3 垂直取向石墨烯形貌表征36-37
• 3.4 结果与分析37-40
• 3.4.1 高度分枝化垂直取向石墨烯制备结果与分析37-38
• 3.4.2 垂直取向石墨烯表面粗糙度调控方法原理分析38-40
• 3.5 本章小结40-42
• 4 垂直取向石墨烯润湿特性调控研究42-54
• 4.1 引言42
• 4.2 实验部分42-43
• 4.2.1 接触角测试42-43
• 4.2.2 液滴撞击测试43
• 4.3 垂直取向石墨烯表征43-46
• 4.3.1 X-射线光电子能谱(XPS)43-45
• 4.3.2 激光拉曼光谱分析(Raman)45-46
• 4.4 结果与分析46-53
• 4.4.1 接触角测试结果与分析46-51
• 4.4.2 液滴撞击实验结果与分析51-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 垂直取向石墨烯超级电容储能性能研究54-61
• 5.1 引言54
• 5.2 实验部分54-55
• 5.3 结果与分析55-60
• 5.3.1 循环伏安特性结果与分析55-57
• 5.3.2 电化学阻抗谱结果与分析57-60
• 5.4 本章小结60-61
• 6 总结与展望61-64
• 6.1 总结61-62
• 6.2 本研究的创新点62
• 6.3 研究展望62-64
• 参考文献64-69
• 作者简历69

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