石墨烯基电极材料的制备与超级电容器性能研究

发布时间：2017-04-04 21:02

  本文关键词：石墨烯基电极材料的制备与超级电容器性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：摘要：超级电容器,又称电化学电容器,因其功率密度大,使用温度范围宽(-20℃～60℃),无污染、长寿命等特性成为一种新型储能器件。超级电容器的储能原理包括双电层电容和法拉第电容(赝电容),前者通过具有高比表面的碳材料来实现,而后者利用电活性材料产生的赝电容储能。近年来,石墨烯及其复合材料被认为是最有前途的能源材料,因为石墨烯材料具有高电导率,高的比表面积,高的力学强度,非凡的化学溶剂耐受性,透明和宽的电化学窗口等优点,可以灵活的组装和化学修饰以达到功能设计的目的,特别适合作为超级电容器的电极材料。因此,石墨烯基电极材料的研究是超级电容器的主要研究方向之一。本论文研究了石墨烯基电极材料的硫酸脱水还原法、电泳沉积组装法和水热法的制备过程,同时将其作为超级电容器电极材料,系统研究了其电容性能。具体研究内容如下： 利用浓硫酸的脱水性能,在不同温度下处理氧化石墨烯得到浓硫酸脱水还原石墨烯材料(Dehydrated reduction graphene oxide,rGO-D)。研究了不同处理温度对材料结构和电容性能的影响。结果表明,浓硫酸能在较低的温度下快速、有效地脱除氧化石墨烯表面的大部分含氧官能团,对含氧官能团的脱除效率依次为COOHC-O/C-O-CC=O。经过开环处理后,对所有的官能团均有较好的脱除效果。制备的rGO-D作为超级电容器电极材料,随着温度增加,其比电容呈现出先增加后减小的趋势,在70℃,30min处理后得到石墨烯电极材料的比电容最大(281.8Fg-1)。 结合使用了电泳沉积和电还原法,制备了自支撑的柔性石墨烯薄膜材料。首先通过电泳沉积在石墨基底上得到柔软、透明的氧化石墨烯薄膜；然后经电化学还原得到自支撑的石墨烯薄膜；研究了电泳沉积条件和电容性能之间的关系。采用XRD、SEM、FT-IR、光学显微镜和对样品进行材料结构、形貌表征。结果表明,采用电泳沉积和电还原技术结合,可以得到导电性好、自支撑结构的石墨烯薄膜电极材料；电容测试结果表明,电泳沉积条件为30V、10min时制备的石墨烯材料具有最好的电容性能,比电容为254F.g-1,经1000次循环伏安测试后,电容保持率为97.02%。 以氧化石墨烯为前驱物,氯化铁作为铁源,磺基水杨酸配位离子作为缓释剂,在碱性体系下水热法一步合成了石墨烯/Fe3O4复合材料。采用XMD、TEM、FT-IR、XPS对样品进行材料结构、形貌表征。研究了铁源离子浓度对石墨烯/Fe3O4电容性能的影响。结果表明：制备的石墨烯/Fe3O4复合材料是由粒径为5-9nm的Fe3O4纳米级单晶分布在石墨烯表面组成；电容测试表明,石墨烯/Fe3O4复合电极材料的电容性能(220.0F.g-1)优于单独的石墨烯(108.9F.g-1)和Fe3O4(55.5F.g-1);石墨烯/Fe3O4的循环寿命得到了很好的提升,经1000次循环伏安测试后,电容保持率为93.1%。
【关键词】：超级电容器 石墨烯 浓硫酸脱水性 电泳沉积法 水热法
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O613.71;O646
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 论文中插图及附表清单6-9
• 论文中物理符号及缩写清单9-10
• 目录10-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 超级电容器简介12-18
• 1.2.1 超级电容器储能原理14-15
• 1.2.2 超级电容器组成15-17
• 1.2.3 超级电容器的组装17-18
• 1.3 超级电容器测试18-22
• 1.3.1 超级电容器测试系统18-19
• 1.3.2 超级电容器测试原理及分析19-22
• 1.4 石墨烯及其复合材料在超级电容器中的应用22-28
• 1.4.1 石墨烯简介22-23
• 1.4.2 不同还原方法制备石墨烯及其在超电中的应用23-25
• 1.4.3 石墨烯不同组装工艺及其在超电中的应用25-27
• 1.4.4 石墨烯/氧化物复合材料及其在超电中的应用27-28
• 1.5 课题研究内容28-30
• 1.5.1 论文的研究意义28
• 1.5.2 论文的主要研究内容28-30
• 第二章 浓硫酸脱水法制备石墨烯及其电容性能研究30-44
• 2.1 前言30
• 2.2 实验部分30-33
• 2.2.1 原料与试剂30-31
• 2.2.2 氧化石墨烯的制备31
• 2.2.3 水合胼还原氧化石墨炼（rGO)的制备31-32
• 2.2.4 浓硫酸脱水还原氧化石墨烯(rGO-D、rGO-ROD)的制备32
• 2.2.5 材料的表征及电容性能测试32-33
• 2.3 结果与讨论33-39
• 2.3.1 不同方法制备的rGO的物理化学性质表征33-37
• 2.3.2 不同温度制备的rGO-D的物理化学性质表征37-39
• 2.4 电容性能研究39-43
• 2.4.1 不同方法制备的rGO与电容性能的关系研究39-42
• 2.4.2 不同温度制备的rGO与电容性能的关系研究42-43
• 2.5 本章小结43-44
• 第三章 电泳沉积-电还原制备石墨烯自组装薄膜及其电容性能研究44-56
• 3.1 前言44
• 3.2 实验部分44-46
• 3.2.1 试剂和仪器44-45
• 3.2.2 氧化石墨烯薄膜的制备45
• 3.2.3 电还原制备石墨烯薄膜45-46
• 3.2.4 表征与测试46
• 3.3 结果与讨论46-55
• 3.3.1 电泳沉积条件对氧化石墨烯薄膜的影响47-48
• 3.3.2 电还原制备石墨烯薄膜研究48-51
• 3.3.3 电还原制备石墨烯电容性能研究51-55
• 3.4 本章小结55-56
• 第四章 水热法制备石墨烯/Fe_3O_4材料及其电容性能研究56-70
• 4.1 前言56
• 4.2 实验部分56-60
• 4.2.1 试剂和仪器56-57
• 4.2.2 材料的制备57-59
• 4.2.3 电容性能测试59-60
• 4.3 结果与讨论60-68
• 4.3.1 石墨烯/Fe_3O_4(graphene/Fe_3O_4)的结构分析60-61
• 4.3.2 石墨烯/Fe_3O_4(graphene/Fe_3O_4)的XPS表征61-62
• 4.3.3 石墨烯/Fe_3O_4(graphene/Fe_3O_4)的形貌分析62-63
• 4.3.4 石墨烯/Fe_3O_4(graphene/Fe_3O_4)的电化学分析性能研究63-68
• 4.4 本章小结68-70
• 第五章 结论70-72
• 参考文献72-79
• 致谢79-80
• 个人简历及获得奖励80
• 获得奖励80-81
• 论文发表情况81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 高飞;李建玲;苗睿瑛;武克忠;王新东;;不同结构的超级电容器阻抗谱[J];北京科技大学学报;2009年06期

2 李忠学;陈杰;;超级电容器的阻抗特性及其复空间建模[J];电子元件与材料;2007年02期

3 苏鹏;郭慧林;彭三;宁生科;;氮掺杂石墨烯的制备及其超级电容性能[J];物理化学学报;2012年11期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 陈胜;石墨烯基超级电容器电极材料的控制合成及形成机理研究[D];南京理工大学;2012年

  本文关键词：石墨烯基电极材料的制备与超级电容器性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：285882