三维结构石墨烯基超级电容器电极材料的制备及性能研究

发布时间：2017-09-25 15:36

  本文关键词：三维结构石墨烯基超级电容器电极材料的制备及性能研究

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【摘要】：石墨烯基超级电容器具有大功率密度、高工作效率、长久使用寿命以及轻污染等优势,是取代传统储能系统的理想之选。但石墨烯本身的性质以及其双电层储能理论极限制约了石墨烯基超级电容器在实际应用中的推广。本文将针对以上问题,通过引入混合式三维结构、石墨烯表面改性以及与法拉第电容电极材料复合等途径,研究可有效提高石墨烯基超级电容器电化学储能性能的方法。采用“一步法”通过对Pt/Si基底进行热处理使其表面形成三维多孔结构(Pt nanocup),并采用PECVD法在Pt nanocup表面原位垂直生长石墨烯(VFG),成功制备了三维混合纳米结构石墨烯电极材料(VFG-nanocup)。该材料通过提高单位面积内石墨烯片的数量,使其比表面积相对于平面基底材料增大了两倍。同时,石墨烯片的垂直结构可以优化电荷的传输路径,增加电荷传导和储存的有效面积,为电极材料实现高电化学储能性能提供了保证。研究表面,VFG-nanocup电极材料比电容值高达1052μF/cm2,能量密度高达4.88×10-4 Wh/m2,电化学储能性能相比于平面二维结构基底的电极材料提高了近三倍。为改善VFG材料本身的疏水性,通过调节反应气体流量比来控制所制备的VFG材料的形貌以及表面状态,并研究其与润湿性之间的关系。实验结果表明,制备具有合适尺寸及分布密度的VFG材料有利于保持其润湿性与电化学性能的平衡,同时,具有高缺陷度的外层石墨烯层可以有效改善整体VFG材料的亲水性。因此,本文提出采用主动式双面旋转等离子体刻蚀方法对制得的VFG材料进行表面处理,通过增加石墨烯片侧壁外层的缺陷度以及顶端边缘的平滑度,实现VFG材料润湿性的改善。经双面旋转等离子体刻蚀后的VFG样品润湿角显著降低,同时比电容值可提高至1000μF/cm2以上。最后,采用电化学沉积法在VFG表面制备不同形貌结构的Mn O2以形成VFG/Mn O2复合电极材料,通过在双电层电容基础上引入法拉第电容,可以综合两者的优势,获得高性能的混合式电极材料。研究表明,针状VFG/Mn O2复合电极材料具有更好的开放性结构,并可充分利用Mn O2与VFG两者在储能性能、电学性能以及形貌结构方面的优势,实现了高达11833μF/cm2比电容值,几乎两倍于絮状VFG/Mn O2电极材料,相比于纯石墨烯电极材料,其储能性能提高了近十倍。
【关键词】：超级电容器 等离子体增强化学气相沉积 三维混合结构 等离子体刻蚀 复合电极材料
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 双电层电容器11-16
• 1.2.1 双电层电容器及其电极材料11-13
• 1.2.2 三维结构石墨烯电极材料13-14
• 1.2.3 等离子体增强化学气相沉积法14-16
• 1.3 法拉第电容器16-20
• 1.3.1 法拉第电容器及其电极材料16-18
• 1.3.2 石墨烯/二氧化锰复合电极材料18-19
• 1.3.3 石墨烯/二氧化锰复合电极材料的主要制备方法19-20
• 1.3.3.1 溶胶-凝胶法19
• 1.3.3.2 水热合成法19-20
• 1.3.3.3 电化学沉积法20
• 1.4 本课题主要研究内容20-21
• 第2章 实验材料、设备及方法21-27
• 2.1 实验材料和试剂21-22
• 2.2 实验仪器设备22
• 2.2.1 等离子体化学气相沉积设备22
• 2.2.2 电化学工作站22
• 2.3 材料表征及测试方法22-27
• 2.3.1 拉曼（Raman）测试22-23
• 2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）分析23
• 2.3.3 扫描电镜（SEM）分析23
• 2.3.4 透射电镜（TEM）分析23-24
• 2.3.5 比表面积测试（BET）24
• 2.3.6 材料电化学性能测试24-27
• 第3章 三维混合结构VFG-nanocup电极材料的研究27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 VFG-nanocup电极材料的制备27-29
• 3.3 VFG-nanocup电极材料的形貌结构表征29-35
• 3.3.1 SEM、TEM表征分析29-31
• 3.3.2 BET表征分析31-32
• 3.3.3 拉曼光谱表征分析32-34
• 3.3.4 XPS表征分析34-35
• 3.4 VFG-nanocup电极材料的电化学性能表征35-40
• 3.4.1 循环伏安测试、恒电流充放电及循环寿命测试分析35-38
• 3.4.2 交流阻抗谱测试分析38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 VFG材料的表面改性及润湿作用机制41-55
• 4.1 引言41
• 4.2 VFG形貌对其润湿性的影响41-44
• 4.3 VFG表面缺陷对其润湿性的影响44-46
• 4.4 等离子体表面处理改善VFG材料润湿性46-54
• 4.4.1 旋转等离子体刻蚀表面改性46-47
• 4.4.2 材料的形貌结构表征47-50
• 4.4.3 材料的润湿性表征50-51
• 4.4.4 材料的电化学性能表征51-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第5章 VFG/MnO_2复合电极材料的研究55-68
• 5.1 引言55
• 5.2 絮状VFG/MnO_2复合电极材料55-62
• 5.2.1 絮状VFG/MnO2复合材料的制备55-56
• 5.2.2 絮状VFG/MnO2复合材料的形貌表征56-58
• 5.2.3 絮状VFG/MnO2复合材料的电化学性能表征58-62
• 5.3 针状VFG/MnO_2复合电极材料62-67
• 5.3.1 针状VFG/MnO_2复合材料的制备62-63
• 5.3.2 针状VFG/MnO_2复合材料的形貌表征63-65
• 5.3.3 针状VFG/MnO_2复合材料的电化学性能表征65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文73-75
• 致谢75

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本文编号：918169