石墨烯纳米筛的制备、组装及其表面官能团对电容的影响

发布时间：2020-02-17 01:53

【摘要】：超级电容器是一种可以迅速储存和释放电荷的新型储能装置,电极材料是决定其性能的主要因素之一。随着石墨烯研究的深入,人们逐渐用石墨烯材料代替传统碳材料作为超级电容器的电极材料,但是石墨烯片层之间因为具有较强的范德华力,容易发生堆叠和团聚,影响其比表面积和电解质离子的传输。为解决这一问题,我们在二维石墨烯表面创制一定数量的纳米孔洞,以提高石墨烯的比表面积,为电解质离子提供传输通道,促进电解质离子的传输。本论文主要通过溶剂热法以及化学气相沉积法,制备了两种不同微观结构的石墨烯纳米筛,探讨了溶剂热法制备的石墨烯纳米筛的生长机理,研究了化学气相沉积法制备的纳米筛表面含氧官能团对其电容性能的影响,主要工作进展如下：以氧化石墨烯(GO)为原料,空气为氧化剂,通过溶剂热过程引起的高温高压,使空气中的02分子氧化刻蚀GO片层上的碳原子,生成CO或C02气体,从而在石墨烯片层上形成纳米孔洞。我们探索了溶剂热合成中混合溶剂水和乙二醇(EG)的组成、填充气氛(空气、氧气和氩气)以及不同的溶剂热反应时间等因素对石墨烯孔洞化程度的影响。将GO混合溶液的浓度增加到2.0 mg mL~(-1)时,可以进一步将孔洞化的石墨烯自组装为多孔石墨烯气凝胶。对多孔石墨烯气凝胶进行扫描、透射、拉曼、红外以及氮气吸附等综合表征,结果表明,二维石墨烯片层上存在着1.5-5.0 nm的纳米孔洞,且多孔石墨烯气凝胶的比表面积为528 m~2 g~(-1)。电化学测试结果表明,在6.0 mol L~(-1)的KOH电解质中,当电流密度为0.5 Ag~(-1)时,其比电容为170 Fg~(-1)；当电流密度从0.5 A g~(-1)增大到20 Ag~(-1)时,其电容保持率为73%,弛豫时间常数为3.03 s,表明孔洞化的石墨烯可以提高电解质离子在二维面内竖直方向的传输能力,这为可控制备分级孔洞化的石墨烯块体材料提供了新方法,多级石墨烯网络结构有望在环境、催化、传感器及电化学储能方面展示良好的应用前景。将模板辅助化学气相沉积法得到的石墨烯纳米筛,分别在200℃、400℃、600 ℃和800℃下氢气还原,探究了石墨烯纳米筛表面含氧官能团对其电容性能的影响。采用拉曼光谱和XPS对不同温度下的还原产物进行表征,结果表明,随着还原温度的升高,还原产物的含氧量逐渐减小。此外,以6.0 mol L~(-1)的KOH溶液为电解质,将不同温度下还原得到的石墨烯纳米筛在两电极体系下进行测试,当电流密度为0.2 A g~(-1)时,其电容值呈现先增大后减小的趋势,且当还原温度为400℃时,得到的还原产物的比电容最大(250 F g~(-1))；当电流密度从1.0 A~(-1)增大到30 Ag~(-1)时,其电容保持率为83%。结合XPS表征结果,我们猜测电极材料的赝电容可能主要是由C-O贡献,且各含氧官能团的含量可能会影响电极材料的电容性能。
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此外，超级电容器还具有充电时间短，，循环寿命长等一系列特点，已经被广逡逑泛应用于数字通讯、动力机车、航空航天等领域［２】。逡逑超级电容器主要由电极材料、电解质、集流体、隔膜四部分构成（如图１－１逡逑所示）。逡逑（１）电极材料逡逑电极材料是超级电容器的核也部分，是决定超级电容器的主要性能指标［９］。逡逑目前，超级电容器电极材料主要分为两大类，分别为kt电容电极材料和双电层电逡逑极材料。逡逑第一类电极材料为腰电容电极材料，常见的腰电容材料有过渡金属氧化物（如逡逑Ｍｎ0２\　ⅲ遥

本文编号：2580275