三维纳米结构石墨烯基纤维复合材料的制备及其电化学性质的研究

发布时间：2017-08-09 11:28

  本文关键词：三维纳米结构石墨烯基纤维复合材料的制备及其电化学性质的研究

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【摘要】：在材料化学和纳米技术领域,具有分级结构或复杂外形的三维纳米材料已经吸引了越来越多的关注度。因为三维纳米分级结构材料不仅可以继承组成单位的优越特性,还可以通过材料的特殊结构获得额外的优异性能。目前已经有诸多报道关于三维结构纳米材料的制备和应用前景的研究。在各种不同的应用领域,超级电容器作为一种最有前途的电化学储能装置,引起了人们极大的研究热情。因为其拥有高的功率密度,可快速的进行充放电,循环寿命长等突出优势。超级电容器主要通过以下两种运行机制存储能量：(1)双电层电容(EDLC),源于电极表面电荷聚集形成的双电层；(2)赝电容,由于电极材料与电解质发生可逆的氧化还原反应。石墨烯作为最先进碳材料的代表,拥有较大的比表面积(利于电解质离子的转移),电导率高(在电极制备过程中可省却添加导电剂),优越的机械性能(利于制备柔性电极)和较宽的电位窗口。尽管如此,但是对于大部分的能量储存装置,单纯的碳材料产生的双电层电容不能够满足需要。为了解决这一问题,我们选择了石墨烯基金属复合材料来充分发挥石墨烯双电层电容的循环稳定性和金属材料较高能量密度的赝电容。该复合材料也可以避免金属氧化物／金属氢氧化物电导率低和稳定性差的缺点。众所周知,固相热解法是目前制备多层石墨烯最常用的方法之一,可在催化剂的条件下在相对较低的温度获得产品,而且工艺简单,生产规模较大。我们还没有看到简单制备三维分级结构的石墨烯基金属复合材料的相关报道。因此本文通过结合固相热解法(金属纳米颗粒与石墨烯包覆层同时生成),静电纺丝技术(制备纳米超长纤维骨架)和水热法(过程简单,可以通过控制反应温度、时间和溶液成分等,调控次级结构的自组装)材料制备技术,原位合成具有特殊三维结构的石墨烯基金属纳米纤维复合材料。该材料具有独特的孔结构,有利于离子和电子的传输,并且外面包覆的石墨烯层可以防止材料在电化学反应过程中结构发生变化。本论文主要的研究内容如下：(1)镍@石墨烯纤维复合材料的制备及电化学性能：以聚丙烯腈(PAN)纤维为前驱体,利用水热处理方法制备Ni(OH)2/PAN 分级结构纤维。通过两组实验的扫描电镜图片分别探讨温度和时间的改变对次级结构生长的影响,最终根据其形态优势选择了17℃、15 h条件下的水热产物Ni(OH)2@PAN进行后续处理。浸润聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液后,Ni(OH)2@PAN通过在含有5%氢气的氩气中900℃煅烧3min,最终得到仿生榆钱外形结构的镍@石墨烯纤维。用该材料制备电极过程中没有加入任何其他的导电剂,通过循环伏安法、恒流充放电等电化学测试分析其电学性能。该电极材料在0.5 A/g电流密度下比电容可以达到288.3 F/g；并且在1 A/g电流密度下循环5000次后比电容仍能够保持原始的84%,这个结果显示出该电极材料具有良好的电化学循环稳定性。并且通过循环伏安曲线深入探讨了电极材料的赝电容机理,表明氢氧化镍(a-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2),氧化氢氧化镍(p-NiOOH和y-NiOOH)在循环过程中不断的发生相转化。(2)镍-钴@石墨烯纤维复合材料的制备及电化学性能：选用不同的前驱体纤维(PAN纤维、PMMA/Ni(AC)2纤维、PMMA纤维)经相同的水热条件进行处理,表明对于不同的前驱体纤维构筑相同成分的次级结构的条件不同；并通过不同高温煅烧时间处理PAN前驱体纤维水热产物,证明了金属颗粒外包覆的石墨烯层能实现可控生长。钻酸镍/[PMMA/Ni(AC)2]在后续经氩气氛围中700℃煅烧20 min制备镍-钴@石墨烯纤维复合材料之前无需再加入固定碳源。通过循环伏安法、恒流充放电等电化学测试分析表明,该材料的倍率性能很好；该电极材料在0.5 A/g电流密度下的充放电数据得到,该条件下材料的比电容可以达到419 F/g。并且通过结合镍-钴@石墨烯纤维酸化后样品的循环伏安曲线得出,金属外包覆的石墨烯不仅维持了材料独特的三维结构,增加了比表面积；还能够产生双电层电容为材料的比电容做贡献。
【关键词】：超级电容器 石墨烯 静电纺丝 三维结构
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53;TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 超级电容器12-16
• 1.1.1 超级电容器的研究意义和结构12-13
• 1.1.2 超级电容器的储能机理13-15
• 1.1.3 超级电容器的电极材料15-16
• 1.2 石墨烯16-19
• 1.2.1 石墨烯的特性和制备方法16-17
• 1.2.2 三维石墨烯基复合材料的超级电容器电极17-19
• 1.3 静电纺丝技术19-22
• 1.3.1 静电纺丝技术原理及基本过程19-20
• 1.3.2 静电纺丝技术在超级电容器电极材料方向的应用20-22
• 1.4 本选题的意义和内容22-24
• 第二章 实验部分24-30
• 2.1 实验所用仪器与试剂24-25
• 2.1.1 实验所用试剂24
• 2.1.2 实验所用仪器24-25
• 2.2 材料表征所用仪器简介25-28
• 2.2.1 X射线衍射仪(XRD)25
• 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)25-26
• 2.2.3 高分辨透射电子显微镜(TEM)26
• 2.2.4 拉曼光谱仪26
• 2.2.5 比表面积及孔隙率分布测试仪(BET)26-27
• 2.2.6 电学性能测试方法和原理27-28
• 2.3 本章小结28-30
• 第三章 镍@石墨烯复合材料的制备及其电化学性质的研究30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 实验部分30-32
• 3.2.1 前驱体纤维的制备30-31
• 3.2.2 三维结构的镍@石墨烯复合材料的制备31
• 3.2.3 电极制备与电化学性质测试31-32
• 3.3 结果与讨论32-41
• 3.3.1 PAN前驱体纤维水热法构筑次级结构32-34
• 3.3.2 所制备的Ni(OH)_2@PAN形貌和成分的表征34-35
• 3.3.3 镍@石墨烯纤维形貌、结构和成分的表征35-37
• 3.3.4 镍@石墨烯纤维电学性质的表征37-41
• 3.4 本章小结41-44
• 第四章 镍-钴@石墨烯复合材料的制备及其电化学性质的研究44-58
• 4.1 引言44-45
• 4.2 实验部分45-47
• 4.2.1 实验中所用到的电纺纤维的制备45
• 4.2.2 三维结构的镍-钴@石墨烯复合材料的制备45-46
• 4.2.3 酸处理镍-钴@石墨烯复合材料46
• 4.2.4 电极制备与电化学性质测试46-47
• 4.3 结果与讨论47-56
• 4.3.1 水热法次级结构的构筑47-48
• 4.3.2 NiCo_2O_4/[PMMA/Ni(AC)_2]形貌和成分的表征48-49
• 4.3.3 以PMMA/Ni(AC)_2纤维为前驱体制备镍-钴@石墨烯结构纤维49-52
• 4.3.4 以PMMA/Ni(AC)_2纤维为前驱体制备的镍-钴@石墨烯结构纤维的电化学性质52-53
• 4.3.5 酸化后的镍-钴@石墨烯结构纤维的电化学性质53
• 4.3.6 以PAN纤维为前驱体制备镍-钴@石墨烯结构纤维53-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 5.1 工作总结58-59
• 5.2 工作展望59-60
• 参考文献60-70
• 致谢70-72
• 攻读硕士学位期间成果72

【参考文献】

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1 宋佳;碳包覆纳米金属氧化物的制备及其电容性能研究[D];北京化工大学;2011年

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本文编号：645082