基于氧化石墨烯纳米片柔性三维结构的制备及其在电化学电容器中的应用

发布时间：2018-05-18 14:41

本文选题：电化学电容器 + 石墨烯纳米纤维　；参考：《兰州大学》2014年博士论文

【摘要】：电化学电容器(Electrochemical capacitor, EC)又被称作超级电容器(Supercapacitor),具有高功率密度、可快速充放电、高效、长寿命和免维护等优点,被认为是传统电容器和电池的替代者。但是传统的电极材料在比表面积和孔洞分布方面的不足制约了超级电容器能量密度的提高。本论文针对EC电极材料结构所存在的问题,分别用冷冻干燥和化学气相沉积(CVD)法制备了电容器的电极材料并进行研究,主要工作如下： 1、通过冷冻干燥的方法制备了三维石墨烯结构,同时用真空抽滤氧化石墨烯分散液的方法制备了石墨烯纸,并分别对这两种结构的电化学性能进行了测试和比较,发现冷冻干燥制备的三维石墨烯具有更高的质量比容量(150F/g,2mV/s)和大电流充放电特性(90F/g,200mV/s)。此外,通过制备石墨烯/碳纳米管的复合纸状结构,并对不同碳纳米管含量下复合材料的电化学性能进行了表征,我们发现在石墨烯和碳纳米管的质量比为1：1时得到的复合结构具有最佳的电容表现(108F/g,2mV/s;65F/g,200m V/s),这说明碳纳米管的掺入提高了电极导电性并且改善了离子在电极内部的输运。本部分主要为前期的探索性工作,旨在为后续的三维结构制备打下实验基础。 2、通过微波辐照和改变溶液离子强度这两种方法的共同作用制备出了氧化石墨烯纳米纤维,然后用冷冻干燥的方法得到三维结构,最后用化学还原法制备出石墨烯纳米纤维基的三维结构。我们通过对实验结果的分析提出了一种可能的基于静电力诱导的石墨烯纳米片(G-NS)向石墨烯纳米纤维(G-NF)转变的机理。在这一形成过程中,微波辐照起着至关重要的诱导作用,氧化石墨烯纳米片首先在微波的作用下发生边缘卷曲,然后由于加盐导致的离子强度的改变促进了这一卷曲过程的进行。这种纤维基结构的多孔性和良好的导电性,使得MnO2/G-NF的复合结构相比于MnO2/G-NS的复合结构具有更好的电容性能。电化学测试结果也显示出MnO2/G-NF复合结构上活性物质的比电容要比MnO2/G-NS复合结构的高出43%,此外,MnO2/G-NF复合结构全电极的比电容几乎是MnO2/G-NS复合电极的两倍。这种由石墨烯纳米纤维构成的新型的三维结构显示出了优异的性能,这将使其在高性能催化剂、传感器和储能系统中具有很大的潜在应用。 3、我们制备了一种基于石墨烯纸和碳纳米管的具有相互连通孔洞的三维自支撑结构,并在这种三维骨架上负载了Mn02纳米柱,最后将这种三维复合结构制成了超轻且柔性的超级电容器。这一三维复合结构由于具有非常好的导电性、柔性和机械性能,使其在封装成电容器时不需要集流体和支撑材料。通过恒流充放电测试发现这一电极具有高达360F/g的比电容。此外,我们将这种电极进行对称组装后得到的超级电容器具有优良的电化学表现(面密度小于4mg/cm2,并且厚度小于30μm),其能量密度最高能达到10Wh/kgo这一良好表现使其能作为柔性和超轻超级电容器的备选电极以及在对质量和柔性具有特殊要求的能量储存系统当中有着广阔的前景。
[Abstract]:An electrochemical capacitor ( EC ) is also called a Supercapacitor , which has the advantages of high power density , fast charge - discharge , high efficiency , long service life and maintenance - free .

1 . The three - dimensional graphene structure was prepared by freeze - drying . The graphene paper was prepared by vacuum filtration of graphene oxide dispersion , and the electrochemical properties of these two structures were tested and compared . It was found that the three - dimensional graphene prepared by freeze drying had higher mass specific capacity ( 150F / g , 2mV / s ) and large current charge - discharge characteristics ( 90F / g , 200mV / s ) . In addition , through the preparation of the composite paper - like structure of graphene / carbon nanotubes , the electrochemical properties of the composite materials under different carbon nanotube content were characterized . We found that the composite structure obtained when the mass ratio of graphene and carbon nanotubes was 1 : 1 had the best capacitance performance ( 108F / g , 2mV / s ; 65F / g , 200m V / s ) , which indicates that the incorporation of the carbon nanotubes improves the conductivity of the electrode and improves the transport of the ions inside the electrode .

2 . The graphene oxide nanofibers are prepared by the co - action of the two methods of microwave irradiation and changing the ionic strength of the solution , and then the three - dimensional structure of the graphene nano - fiber group is prepared by a freeze - drying method .

3 . We have prepared a three - dimensional self - supporting structure with interconnected pores based on graphene paper and carbon nanotubes , and the Mn02 nano - column is loaded on the three - dimensional skeleton , and finally , the three - dimensional composite structure is made into an ultra - light and flexible super capacitor .
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM53

【参考文献】