石墨烯孔洞化与孔洞石墨烯及其复合电极材料的电化学性质

发布时间：2017-09-27 09:51

  本文关键词：石墨烯孔洞化与孔洞石墨烯及其复合电极材料的电化学性质

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【摘要】：超级电容器作为一种新型能量储存系统,可以实现能量的快速储存与释放。因此,超级电容器在高品质和高质量现代生活中发挥着极大的作用。电极材料作为制约超级电容器储能性能的重要因素之一,已经受到人们的广泛关注。石墨烯因其独特的物理化学性质,在众多电极材料中脱颖而出,成为一种极具潜力的超级电容器电极材料。但是石墨烯在制备过程中的团聚问题,以及电解质离子在石墨烯片层之间较长的传输路径,限制了其电化学性质的发挥。本研究工作主要通过石墨烯孔洞化处理以及构建赝电容材料/孔洞石墨烯复合电极材料,期待改善石墨烯基电极材料的储能性质,主要研究内容和结果如下：以氧化石墨烯(GO)为原料,双氧水(H_2O_2)作氧化剂,经低温水热反应实现GO纳米层的孔洞化。孔洞化GO纳米层的孔径约为0.5-6.0 nm,具有良好的分散性。孔洞化GO纳米层用水合肼还原,经简单真空抽滤,得到柔韧性良好的孔洞石墨烯薄膜。探讨GO和H_2O_2之间的水热反应条件对所得产物孔洞化程度的影响。在三电极测试体系中,6.0 M KOH作电解质溶液,当电流密度为1Ag~(-1)时,孔洞化程度最佳的孔洞石墨烯薄膜质量比电容为251 F g~(-1),体积比电容达到216 F cm-3。当电流密度增大到60Ag~(-1)时,其电容保持率达到73%,明显优于未经孔洞化处理的电极材料(63%)。以孔洞化程度最佳的孔洞石墨烯薄膜作正负电极,6.0 M KOH为电解质溶液,组装得到对称型超级电容器的弛豫时间常数为0.67s,远小于未经孔洞化处理电极组装的对称型超级电容器(1.51 s)。该制备方法绿色环保且成本低,适合孔洞石墨烯的批量制备。以分散性良好的孔洞氧化石墨烯(HGO)作前驱体,偏钒酸铵(NH_4VO_3)作钒源,经冰醋酸调节pH,180℃下水热处理24 h得到五氧化二钒/孔洞石墨烯复合气凝胶电极材料(VHGA)。通过调控NH_4VO_3加入量,可以控制复合产物中五氧化二钒(V_2O_5)的负载量。当NH_4VO_3投料为60 mg时,直径为20-80 nm、长度为几个毫米的V_2O_5纳米带能够均匀负载在HRGO片层上。在三电极测试体系中,以0.5 M K_2SO_4作电解质溶液,当电流密度为0.25 Ag~(-1)时,VHGA-2电极的比电容达到264 Fg~(-1),远高于HGA电极(130 Fg~(-1))和V_2O_5纳米带电极(153Fg~(-1))。当电流密度增大到10 Ag~(-1)时,VHGA-2电极仍然具有较高的电容保持率(77.3%),明显优于V_2O_5纳米带电极(45.8%)。另外,当扫速为20 mV s~(-1)时,连续循环1000圈后,VHGA-2电极的电容保持率从V_2O_5纳米带电极的38%提高到85%,充分彰显了复合材料的优势。与VHGA-2电极相比,当电流密度为0.25 Ag~(-1)时,VGA-2电极的比电容仅为213 Fg~(-1),当电流密度增大到10 Ag~(-1)时,其电容保持率降低到71.4%,说明孔洞化处理能够进一步优化材料电化学性质。这种制备方法也可以拓展到其他赝电容材料与孔洞石墨烯复合电极材料的制备中,为改善超级电容器能量密度和功率密度提供了新途径。
【关键词】：孔洞石墨烯 双氧水 五氧化二钒 复合电极材料 电化学性质
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;O646.54
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-42
• 1.1 前言10-11
• 1.2 超级电容器简介11-18
• 1.2.1 超级电容器的工作原理与类型11-13
• 1.2.2 超级电容器的评价参数13-16
• 1.2.3 超级电容器电极材料16-18
• 1.2.4 超级电容器的发展趋势18
• 1.3 石墨烯及石墨烯基电极材料18-36
• 1.3.1 石墨烯的结构与性质18-19
• 1.3.2 石墨烯电极材料的缺点及改进方法19-20
• 1.3.3 多孔石墨烯的类型及制备20-29
• 1.3.4 影响孔洞石墨烯电化学性质的主要因素29-31
• 1.3.5 孔洞石墨烯体积比电容的改善方法31-33
• 1.3.6 孔洞石墨烯及其复合电极材料在超级电容器中的应用33-36
• 1.4 五氧化二钒电极材料36-39
• 1.4.1 五氧化二钒的结构与性质36
• 1.4.2 五氧化二钒电极材料的缺陷及改进方法36-38
• 1.4.3 五氧化二钒在超级电容器电极材料中的应用38-39
• 1.5 论文研究意义及内容39-42
• 1.5.1 论文研究意义39-40
• 1.5.2 论文研究内容40
• 1.5.3 论文创新点40-42
• 第2章 石墨烯H_2O_2孔洞化与孔洞石墨烯薄膜制备及其电化学性质42-60
• 2.1 引言42-43
• 2.2 实验部分43-46
• 2.2.1 孔洞氧化石墨烯分散液的制备43
• 2.2.2 孔洞石墨烯分散液的制备43
• 2.2.3 孔洞石墨烯薄膜的制备43-44
• 2.2.4 孔洞石墨烯薄膜的分析与表征44
• 2.2.5 孔洞石墨烯薄膜的电化学性质测试44-46
• 2.3 结果与讨论46-58
• 2.3.1 水热处理温度对孔洞石墨烯形貌和结构的影响46-48
• 2.3.2 H_2O_2用量对孔洞石墨烯形貌和结构的影响48-49
• 2.3.3 水热处理时间对孔洞石墨烯形貌和结构的影响49-52
• 2.3.4 孔洞石墨烯的形成过程52-53
• 2.3.5 孔洞石墨烯薄膜电极的电化学性质53-56
• 2.3.6 孔洞石墨烯薄膜电容器的电容性能56-58
• 2.4 本章小结58-60
• 第3章 五氧化二钒/孔洞石墨烯复合气凝胶的制备及其电化学性质60-78
• 3.1 引言60-61
• 3.2 实验部分61-63
• 3.2.1 孔洞氧化石墨烯分散液的制备61
• 3.2.2 孔洞石墨烯气凝胶的制备61
• 3.2.3 五氧化二钒的制备61-62
• 3.2.4 五氧化二钒/孔洞石墨烯复合气凝的制备62
• 3.2.5 分析与表征62
• 3.2.6 电化学性质测试62-63
• 3.3 结果与讨论63-76
• 3.3.1 孔洞石墨烯气凝胶的形貌和结构63-66
• 3.3.2 孔洞石墨烯气凝胶的电化学性质66-68
• 3.3.3 五氧化二钒/孔洞石墨烯复合气凝胶的晶相68-69
• 3.3.4 五氧化二钒/孔洞石墨烯复合气凝胶的形貌69-70
• 3.3.5 五氧化二钒/孔洞石墨烯复合气凝胶的N_2吸附70-71
• 3.3.6 五氧化二钒/孔洞石墨烯复合气凝胶的电化学性质71-76
• 3.4 本章小结76-78
• 第4章 全文总结78-80
• 参考文献80-96
• 致谢96-98
• 攻读硕士学位期间的研究成果98

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