石墨烯基超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-03-27 05:10

  本文关键词：石墨烯基超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超级电容器也叫电化学电容器作为一种环境友好和性能良好的储能设备在众多领域得到了广泛的应用。石墨烯（GNS）是一种二维纳米材料，拥有优异的物理、化学和热学性能是电化学电容器的理想电极材料。石墨烯是单层的石墨材料，在电化学反应的过程中可以充分利用其整个表面形成双电层。为了近一步改善石墨烯材料的电化学性能，科研工作者将目光转向了以石墨烯材料为导电载体的研究，石墨烯基复合材料作为超级电容器的电极材料是目前研究的热点课题。 本文通过不同方法制备了褶皱石墨烯（GY-GNS）、石墨烯/二氧化锰（GNS/MnO_2）复合材料和石墨烯/二氧化钛/二氧化锰（GNS/TiO_2/MnO_2）复合材料并将其作为超级电容器的电极材料，通过XRD、SEM、TEM、Raman等测试方法对制备的材料进行了微观结构分析，采用循环伏安法、恒流充放电法、交流阻抗和循环寿命分析考察了材料的电化学性能。 通过剧烈温度变化产生的冷热应力使石墨烯表面产生褶皱，确定高温液氮法为制备褶皱石墨烯材料的最优工艺。SEM和TEM的微观形貌表明高温液氮方法制备的石墨烯材料在石墨烯片层上形成了大量的褶皱和卷曲，由于在高温含氧气氛下存在碳的氧化反应，导致在石墨烯表面上存在相当多的中孔（15~40nm），这种独特的石墨烯片层结构确保了其良好的电容性能。在6mol·L~(-1)KOH电解液中，2mV·s-1扫速下，比容量达349.1F g-1。在100mV·s-1扫速下经过5000次循环寿命测试其比容量基本没有衰减。 分别以褶皱石墨烯（GY-GNS）和水合肼还原石墨烯（HY-GNS）为导电碳载体，通过乙醇滴加高锰酸钾的方法在两种石墨烯片层上负载MnO_2制备GNS/MnO_2复合材料，并考察载体的微观结构以及不同的MnO_2负载量对复合材料电化学性能的影响。以GY-GNS和MnO_2质量比2:8制备的GNS/MnO_2复合材料（GGM2）电化学性能优于以HY-GNS和MnO_2质量比2:8制备的GNS/MnO_2复合材料（HGM2），进一步说明合成的GNS/MnO_2复合材料的比容量不仅与MnO_2的负载量有关更与导电碳载体的微观结构密切相关。随着褶皱石墨烯上二氧化锰负载量的增加，GY-GNS/MnO_2复合材料的比容量呈现先递增后降低的趋势，说明MnO_2的负载量对制备复合材料的比容量有很大的影响，并且石墨烯载体与二氧化锰之间存在一定的适宜比。 通过以TiO_2作为电子的传输媒介，采用微波合成的方法制备GNS/TiO_2/MnO_2复合材料，并分别考察了GNS/TiO_2/MnO_2复合材料在正常的日光环境下测试和在紫外灯持续照射下测试复合材料电化学性能的差异。二氧化钛在紫外灯持续的照射下电子被激发，同时产生空穴缺陷，二氧化钛的激发产生了电子流，，由于二氧化锰包覆了二氧化钛，紫外灯的持续照射使二氧化钛作为媒介促进了二氧化锰的电子传导，提高了二氧化锰的电导率，从而改善了GNS/TiO_2/MnO_2复合材料的整体性能。GNS/10%TiO_2负载69.5%MnO_2的材料（GNS/TiO_2/MnO_2）在紫外灯持续照射后比容量也有了近10%的提升，在50mV·s-1的扫速下GNS/TiO_2/MnO_2复合材料电极在正常测试条件下比容量为168.5F·g-1，而在紫外灯的持续照射下GNS/TiO_2/MnO_2复合材料电极的比容量达到了182.1F·g-1。 最后以GNS/MnO_2复合材料为正极，以石墨烯材料作为负极组装成混合超级电容器，在1mol·L~(-1)Na2SO4电解液中，0~1.8V的电压区间测试其电化学性能。根据所用正负材料的不同，混合型超级电容器分别标记为：(1) GGM2//GY-GNS；(2) HGM2//HY-GNS；研究不同方法制备的石墨烯为原料制备的正负材料对混合型电容器电化学性能的影响。组装混合型电容器GGM2//GY-GNS和HGM2//HY-GNS，混合电容器GGM2//GY-GNS的能量密度和功率密度都高于混合电容器HGM2//HY-GNS。当混合电容器GGM2//GY-GNS的功率密度为164.93W·kg-1时，它的能量密度为41.23Wh·Kg-1，而当其功率密度为8205.86W·kg-1时，能量密度达到8.21Wh·Kg-1。
【关键词】：超级电容器 褶皱石墨烯 二氧化锰 二氧化钛 复合材料
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O613.71;O646
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 超级电容器概述11-15
• 1.1.1 超级电容器的应用11-13
• 1.1.2 超级电容器的性能13-14
• 1.1.3 超级电容器的原理14-15
• 1.2 超级电容器电极材料的研究进展15-23
• 1.2.1 双电层电极材料15-21
• 1.2.2 赝电容电极材料21-23
• 1.3 本论文的选题意义及研究内容23-25
• 第2章 实验材料及研究方法25-33
• 2.1 主要试剂与原料25-26
• 2.2 主要实验仪器与设备26-27
• 2.3 实验制备方法27-29
• 2.3.1 氧化石墨的制备27
• 2.3.2 石墨烯的制备27-28
• 2.3.3 乙醇滴加高锰酸钾法制备 GNS/MnO_2复合材料28
• 2.3.4 GNS/TiO_2复合材料的制备28-29
• 2.3.5 GNS/TiO_2/MnO_2复合材料的制备29
• 2.3.6 混合型超级电容器的组装29
• 2.4 材料的表征方法29-30
• 2.4.1 X-射线粉末衍射（XRD）29
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）29-30
• 2.4.3 透视电子显微镜（TEM）30
• 2.4.4 拉曼光谱（Raman Spectra）30
• 2.4.5 X 射线光电子能谱 (XPS)30
• 2.4.6 比表面积测试（BET）30
• 2.5 电化学性能测试30-32
• 2.5.1 电极制备30-31
• 2.5.2 电化学测试31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 不同工艺制备褶皱石墨烯材料及其电化学性能研究33-45
• 3.1 引言33-34
• 3.2 结果与讨论34-43
• 3.2.1 褶皱石墨烯材料的形貌分析与结构表征34-39
• 3.2.2 褶皱石墨烯材料的电化学性能研究39-43
• 3.3 本章小结43-45
• 第4章 GNS/MnO_2复合材料的制备及其电化学性能研究45-53
• 4.1 引言45
• 4.2 结果与讨论45-51
• 4.2.1 GNS/MnO_2复合材料的形貌分析与结构表征45-48
• 4.2.2 GNS/MnO_2复合材料的电化学性能研究48-51
• 4.3 本章小结51-53
• 第5章 GNS/ TiO_2/MnO_2复合材料的制备及其电化学性能研究53-61
• 5.1 引言53
• 5.2 结果与讨论53-60
• 5.2.1 GNS/TiO_2/MnO_2复合材料的形貌分析与结构表征53-56
• 5.2.2 GNS/TiO_2/MnO_2复合材料的电化学性能研究56-60
• 5.3 本章小结60-61
• 第6章 混合型超级电容器电化学性能研究61-66
• 6.1 引言61
• 6.2 混合型电容器两极质量的匹配61
• 6.3 混合型电容器电化学性能的研究61-65
• 6.3.1 循环伏安曲线分析61-63
• 6.3.2 恒流充放电曲线分析63-64
• 6.3.3 交流阻抗曲线分析64-65
• 6.3.4 能量密度和功率密度的关系曲线65
• 6.4 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-76
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果76-77
• 致谢77

【参考文献】

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本文编号：269906