石墨烯—碳纤维复合超级电容器电极材料研究

发布时间：2019-11-09 22:27

【摘要】：氧化石墨烯因其制备成本低、产量大、性能可调控等优点而成为石墨烯应用领域的研究重点之一。碳纤维因其综合性能优异，已被广泛应用于日常生活中。本论文以氧化石墨烯和碳纤维为研究对象，以电化学沉积法为主要方法，制备石墨烯-碳纤维复合材料，并应用于超级电容器电极，获得优良的电化学性能。 以同步沉积-还原法制备得到具有褶皱起伏结构的石墨烯表面层，使氧化石墨烯沉积在碳纤维表面的同时被一定程度地还原。所制备的石墨烯-碳纤维复合电极直接用于电化学性能测试，在水系电解质中的电化学性能优异，相比碳纤维的比电容量提高了两个数量级。通过进一步优化，即对碳纤维进行氧化预处理，然后再沉积石墨烯表面层，其比电容量又提高了一个数量级，达到22.6μF/cm。循环充放电5000次后，比电容量仍保持初始值的95%，循环稳定性优异。石墨烯表面层显著提高了复合结构的比表面积，从而形成更多的双电层界面。 以石墨烯-碳纤维束为复合电极，使用磷酸和聚乙烯醇配制固态电解质，同时作为电极间隔层，组装可弯曲的固态超级电容器，其长度比电容达到~13.5mF/cm，能量密度可达1.2~1.9μWh/cm，功率密度可达0.7mW/cm。将该固态超级电容器弯曲至180°时，其电化学性能没有降低，并且可以进行串联组装使用，在柔性电子器件中具有一定的应用潜力。 通过分步沉积-还原法，显著提高碳纤维束上电化学沉积氧化石墨烯的量，然后冷冻干燥、化学还原，形成具有独特三维立体结构的石墨烯-碳纤维复合电极材料。其长度比电容达到了7mF/cm，质量比电容约为35.7F/g，且具有良好的循环稳定性。为了进一步提高电容性能，在石墨烯片上电聚合聚苯胺纳米簇，借助聚苯胺的赝电容特性，可继续提升复合电极材料的电化学性能。所制备的聚苯胺-石墨烯-碳纤维复合电极材料直径约为1mm，长度比电容达到257mF/cm，是石墨烯-碳纤维复合电极材料的36.7倍，质量比电容约为205F/g，且能量密度和功率密度分别达到19.6Wh/kg和2.1kW/kg。
【图文】：

（如 C60，零维结构）、碳纳米管（一维结构）等都是碳的同素异形体（图 1.1）。2004 年，英国曼彻斯特大学的两位科学家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 首次从石墨中剥离出石墨烯[1]，两人也因此共同获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。作为一种典型的二维纳米材料，石墨烯具有优异的电子迁移率、电导率、热导率、透光性和高强度等性能特点，在电子、能源、新型复合材料、生物医学和环保等领域具有巨大的应用潜力，近年来已成为国内外研究的热点之一。

的石墨烯是只有一个碳原子层厚度的、稳定的二维薄膜，碳原角型的晶体结构[2]，，并通过褶皱起伏保持其自身的稳定性，如图的每个碳原子与三个相邻的碳原子形成共价键，在垂直于二维一个大π键，这样的结构使其具有很多独特性能。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB332;TM53

【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 储长流,朱宁;碳纤维的性能与应用[J];北京纺织;2001年06期

2 黎小平,张小平,王红伟;碳纤维的发展及其应用现状[J];高科技纤维与应用;2005年05期

3 朱宏伟;;石墨烯:单原子层二维碳晶体——2010年诺贝尔物理学奖简介[J];自然杂志;2010年06期

本文编号：2558697