碳纳米管及其与石墨烯复合材料宏观体的制备与储能性能

发布时间：2020-11-10 13:40

　　 1991年,发现多壁碳纳米管(MWCNT)后,在世界范围内,迎来继C60之后再一次以碳材料为焦点的研究热潮。一维的碳纳米管(CNT)具有中空结构和大比表面积,其力学性能及导电性能良好,所以它激起了学者们的兴趣。在各个领域的应用前景都甚是广阔。二维的石墨烯(G)质量轻盈,电学性能突出,导热性好,比表面积大,以独特性能吸引了研究者们的目光,且在先进材料与器件中被广泛运用。虽然G和CNT电学和力学性质相似,但两者结构不同也导致两者有许多不同之处。G片层垂直方向上电荷传输和电解质扩散效率低,CNT的曲率半径较小,活性物质在CNT上很难实现高密度负载,很容易形成很多边界阻碍电荷的快速运输。因此它们在储能材料中的应用受到了限制。所以,选择合适的方法弥补两者的缺陷,解决材料的不足,是我们考虑的方向。制备出三维网络结构材料,不但能够提高材料比表面积,同时还能改良其电化学性能,也能用其制备出满足电化学超级电容器(electrochemical supercapacitor,ESC)需求的性能优越的电极。本论文中,以CNT、G和两者复合材料为主要研究对象,制备成ESC电极。测试并分析材料成分,了解其内部孔洞结构,观察微观形貌,表征电化学性能。表征方法包括:X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、激光拉曼光谱(laser Raman spectroscopy,Raman)、扫描电子显微镜(scanning electronic microscopy,SEM)、氮气吸脱附分析等;电化学性能的表征方法包括:恒电流充放电测试、循环伏安测试、阻抗分析等。具体研究内容如下:1.先对碳纳米管(CNT)进行羧酸化处理,再采用回流—抽滤方法,制备得到CNT宏观体前驱体。二次生长CNT后制备得到具有网络结构的碳纳米管宏观体(CNTNWS),表征材料的电化学性能,分析实验数据可知,CNTNWS的电化学性能更优,其比容量可达到118F/g,且具有良好的稳定性和循环寿命。2.以泡沫镍为基底,采用气相沉积法(CVD)结合浸渍法,在制备的G表面生长CNT得到宏观体碳纳米管/石墨烯(CNT/G),观察其形貌,将其组装成模拟ESC电极,进行电化学相关性能的测试。分析对比可知,CNT/G有着更优异的电化学性能,比电容达104.44 F/g,且电阻较低,稳定性和循环寿命良好。3.部分氧化剥离CNT得到碳纳米管/氧化石墨烯(CNT/GO),再经过抗坏血酸(L-ascorbic acid,LAA)还原,冻干后得到宏观体——碳纳米管/还原氧化石墨烯(CNT/RGO),并对其进行电化学性能表征。实验数据结果表明,CNT/RGO的电化学性能有着很大的改善,其比电容达到.128F/g,稳定性和循环寿命良好。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TQ127.11;TB383.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 碳纳米管
        1.1.1 碳纳米管种类及结构
        1.1.2 碳纳米管的性质及其应用
    1.2 石墨烯
        1.2.1 石墨烯简介
        1.2.2 石墨烯制备方法
        1.2.3 石墨烯的应用
    1.3 碳纳米管/石墨烯复合材料
        1.3.1 碳纳米管/石墨烯复合材料简介
        1.3.2 碳纳米管/石墨烯复合材料的组装
        1.3.3 碳纳米管/石墨烯复合材料储能应用的实例
    1.4 碳纳米材料宏观体
        1.4.1 碳纳米材料宏观体简介
        1.4.2 碳纳米材料宏观体的分类
    1.5 超级电容器简介
    1.6 本论文的设计思路及主要工作
        1.6.1 本论文的设计思路
        1.6.2 本论文的主要工作
第2章 实验部分
    2.1 实验药品及仪器
    2.2 超级电容器模具的设计
    2.3 电极材料的制备
    2.4 超级电容器的组装
    2.5 材料的表征及性能测试
        2.5.1 扫描电镜分析（SEM）
2吸脱附测试'>        2.5.2 N₂吸脱附测试
        2.5.3 X射线衍射分析（XRD）
        2.5.4 电化学性能测试
        2.5.5 拉曼光谱测试
第3章 碳纳米管宏观体（CNTNWS）的制备及其储能性能
    3.1 引言
    3.2 实验
        3.2.1 CNTNWS-p的制备:
        3.2.2 CNTNWS的制备:
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 样品的形貌分析
2吸脱附测试'>        3.3.2 N₂吸脱附测试
        3.3.3 循环伏安测试
        3.3.4 恒电流充放电测试
        3.3.5 循环稳定性分析
        3.3.6 阻抗分析
    3.4 本章小结
第4章 碳纳米管/石墨烯宏观体（CNT/G）的制备及其储能性能
    4.1 引言
    4.2 实验
        4.2.1 G的制备
        4.2.2 CNT/G的制备
    4.3 实验结果与讨论
        4.3.1 G和CNT/G的形貌分析
        4.3.2 G和CNT/G的Raman分析
2吸脱附测试'>        4.3.3 G和CNT/G的N₂吸脱附测试
        4.3.4 G和CNT/G的循环伏安测试
        4.3.5 G和CNT/G的恒电流充放电测试
        4.3.6 G和CNT/G的循环稳定性分析
        4.3.7 G和CNT/G的阻抗分析
    4.4 本章小结
第5章 碳纳米管/石墨烯宏观体（CNT/RGO）的制备及其储能性能
    5.1 引言
    5.2 实验
        5.2.1 CNT/GO的制备
        5.2.2 CNT/RGO宏观体的制备
    5.3 实验结果及讨论
        5.3.1 CNT和CNT/RGO的形貌
        5.3.2 CNT、CNT/GO和CNT/RGO的XRD分析
        5.3.3 CNT和CNT/RGO的Raman分析
2吸脱附测试'>        5.3.4 CNT和CNT/RGO的N₂吸脱附测试
        5.3.5 CNT和CNT/RGO的循环伏安测试
        5.3.6 CNT和CNT/RGO的恒电流充放电测试
        5.3.7 CNT和CNT/RGO的循环稳定分析
        5.3.8 CNT和CNT/RGO的交流阻抗分析
    5.4 本章小结
结论
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表论文与申请专利

【参考文献】

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本文编号：2877994