石墨烯基纳米复合薄膜电极材料制备及其电容性质研究

发布时间：2017-08-09 23:15

  本文关键词：石墨烯基纳米复合薄膜电极材料制备及其电容性质研究

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【摘要】：石墨烯具有导电性好、比表面积大及力学强度高等优点,是最理想的电化学电容器电极材料之一。但是,石墨烯易团聚和比电容较低等缺点,大大限制了其在众多领域的广泛应用。因此,研究和开发具有更高比容量、长循环寿命及无粘结剂石墨烯基复合电极材料具有十分重要的意义。此外,随着微机电系统、无线传感网络、便携式电子设备、嵌入式健康监控设备及柔性显示器等的广泛应用,人类对储能器件的要求越来越高。对于能量存储器件不仅要具有高的能量密度、高的功率密度和长循环寿命,而且要满足安全、超薄、柔软、质轻、廉价及微型化等要求。因此,设计和制备柔性电极材料已成为储能材料研究领域的热点之一。本论文采用抽滤自组装技术,制备了石墨烯基纳米复合薄膜电极材料。全文包括四章,第1章(绪论)论述了电化学电容器电极材料的研究进展及面临的挑战,石墨烯、二氧化锰和聚吡咯电极材料的结构、性质、应用及改进手段,以及石墨烯基纳米复合薄膜电极材料在电化学电容器领域的应用,提出了本论文的选题目的及意义、研究内容和创新点；第2、3章(实验部分)采用抽滤自组装技术制备了石墨烯基纳米复合薄膜电极材料,并对其结构、形貌及电容性质进行了研究；第4章为全文结论部分。主要研究内容为：(1)采用抽滤自组装技术制备了石墨烯/二氧化锰纳米球和石墨烯/二氧化锰纳米层复合薄膜电极材料,研究了不同形貌二氧化锰对石墨烯基复合薄膜电极材料结构、形貌及电化学性质的影响。在-0.2-0.8 V的电压范围和1 M Na2SO4电解液中,采用三电极体系测试了石墨烯/二氧化锰纳米球和石墨烯/二氧化锰纳米层复合薄膜电极的电容性质。当石墨烯和二氧化锰的质量比为2,扫速为5mVs-1时,石墨烯/二氧化锰纳米球和石墨烯/二氧化锰纳米层复合薄膜电极的比电容分别为446 F g-1和314 Fg-1。当扫速为20 mV s-1时,石墨烯/二氧化锰纳米球和石墨烯/二氧化锰纳米层复合薄膜电极循环1000圈之后,其电容保持率分别为96%和95%。球形形貌二氧化锰均匀嵌插到石墨烯片层中间,能形成有利于电解质离子扩散的多级孔道结构,进而提高了整个复合薄膜电极的电容性质。(2)在制备石墨烯/二氧化锰纳米球二元复合薄膜电极材料工作的基础上,向该体系中引入了导电性优异、比容量高及柔性好的聚吡咯材料,期待提高复合薄膜材料的比容量和柔性。采用抽滤自组装技术制备了石墨烯/二氧化锰/聚吡咯三元复合薄膜电极材料,在保持石墨烯和二氧化锰纳米球质量比为2的基础上,研究了不同用量聚吡咯对复合薄膜电极电容性质的影响。在-0.4-0.6 V的电压范围和1M Na2SO4电解液中,采用三电极体系测试了石墨烯/二氧化锰/聚吡咯三元复合薄膜电极的电容性质。当石墨烯、二氧化锰和聚吡咯的质量比为2：1：2和扫速为5 mVs-1时,石墨烯/二氧化锰/聚吡咯三元复合薄膜电极的比电容为682Fg-1。当扫速为20 mV s-1时,石墨烯/二氧化锰/聚吡咯三元复合薄膜电极在循环1000圈之后,其电容保持率为86%,表明聚吡咯的加入提高了复合薄膜电极的比电容和柔性。以上所制备的不同组成及结构石墨烯基复合薄膜电极材料,由于球形形貌二氧化锰或聚吡咯均匀的嵌插到石墨烯片层间,形成了有利于电解液离子扩散的多级孔道结构,从而提高了复合薄膜电极的电容性质。此外,这种柔性、无粘结剂石墨烯基复合薄膜电极材料更加能体现出材料本身的性质。抽滤自组装技术可发展用于制备性能优异的石墨烯及金属氧化物或导电聚合物复合薄膜电极材料。
【关键词】：石墨烯 二氧化锰 聚吡咯 石墨烯基复合薄膜电极 电容
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.54;TM53
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-35
• 1.1 前言11-12
• 1.2 电化学电容器12-18
• 1.2.1 电化学电容器概述12-13
• 1.2.2 电化学电容器的工作原理13-14
• 1.2.3 电化学电容器电极材料14-17
• 1.2.4 电化学电容器电极材料的发展趋势及其面临的挑战17-18
• 1.3 石墨烯结构、性质及应用18-22
• 1.3.1 石墨烯的结构和性质18-19
• 1.3.2 石墨烯的制备方法19-22
• 1.3.3 石墨烯在电化学电容器中的应用22
• 1.4 二氧化锰结构、性质及应用22-26
• 1.4.1 二氧化锰的结构和性质22-24
• 1.4.2 二氧化锰的制备方法24-25
• 1.4.3 二氧化锰在电化学电容器中的应用25-26
• 1.4.4 二氧化锰电极材料的缺陷及改进手段26
• 1.5 聚吡咯结构、性质及应用26-28
• 1.5.1 聚吡咯的结构和性质26-27
• 1.5.2 聚吡咯在电化学电容器中的应用27
• 1.5.3 聚吡咯电极材料的缺陷及改进手段27-28
• 1.6 石墨烯基纳米复合薄膜材料28-33
• 1.6.1 石墨烯/金属氧化物纳米复合薄膜28-31
• 1.6.2 石墨烯/导电聚合物纳米复合薄膜31-32
• 1.6.3 石墨烯基纳米复合薄膜在电化学电容器中的应用32-33
• 1.7 论文选题目的与研究内容33-35
• 1.7.1 论文选题目的及意义33-34
• 1.7.2 论文主要研究内容34
• 1.7.3 论文的创新点34-35
• 第2章 石墨烯/二氧化锰纳米复合薄膜电极材料制备及其电容性质研究35-57
• 2.1 引言35-36
• 2.2 实验部分36-40
• 2.2.1 试剂与原料36-37
• 2.2.2 石墨烯纳米层分散液的制备37
• 2.2.3 二氧化锰纳米球的制备37
• 2.2.4 二氧化锰纳米层分散液的制备37-38
• 2.2.5 石墨烯/二氧化锰纳米复合薄膜电极的制备38
• 2.2.6 分析与表征38-39
• 2.2.7 电容性质测试39-40
• 2.3 结果与讨论40-55
• 2.3.1 石墨烯/二氧化锰纳米球复合薄膜电极材料的晶相与形貌40-42
• 2.3.2 石墨烯/二氧化锰纳米层复合薄膜电极材料的晶相与形貌42-44
• 2.3.3 石墨烯/二氧化锰纳米球复合薄膜电极材料的电容性质44-50
• 2.3.4 石墨烯/二氧化锰纳米层复合薄膜电极材料的电容性质50-53
• 2.3.5 石墨烯/二氧化锰纳米球(纳米层)复合薄膜电极材料电容比较53-55
• 2.4 本章结论55-57
• 第3章 石墨烯/二氧化锰/聚吡咯三元复合薄膜电极材料制备及其电容性质研究57-69
• 3.1 引言57-58
• 3.2 实验部分58-60
• 3.2.1 试剂与原料58
• 3.2.2 石墨烯纳米层分散液的制备58-59
• 3.2.3 二氧化锰纳米球的制备59
• 3.2.4 聚吡咯纳米球的制备59
• 3.2.5 石墨烯/二氧化锰/聚吡咯纳米复合薄膜的制备59
• 3.2.6 分析与表征59-60
• 3.2.7 电容性质测试60
• 3.3 结果与讨论60-67
• 3.3.1 石墨烯/二氧化锰/聚吡咯纳米复合薄膜电极材料的晶相与形貌60-63
• 3.3.2 石墨烯/二氧化锰/聚吡咯纳米复合薄膜电极材料的电容性质63-67
• 3.4 本章结论67-69
• 第4章 全文结论69-71
• 参考文献71-83
• 致谢83-85
• 攻读硕士学位期间的科研成果85

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本文编号：647780