三维网络结构石墨烯电极材料制备及电化学电容性能

发布时间：2017-04-12 05:01

  本文关键词：三维网络结构石墨烯电极材料制备及电化学电容性能，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电化学电容器,也叫超级电容器,因其充放电速度快、循环寿命长、环境友好等优点而备受国际广泛关注。电极材料是决定超级电容器性能的主要因素之一,基于石墨烯为主的超级电容器电极材料具有大的表面积、良好的导电性、独特的导热性和优异的机械性等,是一种具有广阔应用前景的电极材料。但化学还原制备的二维石墨烯材料,片层之间因为具有较强的π-π堆叠和疏水作用,以及单个片层还原伴随着物理交联、范德华力等原因导致石墨烯片层发生严重堆叠和团聚。构建石墨烯的三维网络结构不仅有利于电极材料内部电子的传输,而且降低了电解质离子在电极内部的扩散阻力,对发挥电极材料电化学性质起到重要作用。我们以三维泡沫镍为模板,苯乙烯为碳源,通过化学气相沉积(CVD)的方法制备了高质量三维结构石墨碳(3DG)材料。该3DG具有相互交联的结构,同时高的石墨化为电子在三维空间的快速传递提供了有利的条件,因而可作为理想的赝电容材料负载骨架。通过3DG与KMnO4之间的氧化还原反应,将Mn02纳米片均匀的沉积在3DG上,形成了3DG-MnO2多级结构,3DG骨架与Mn02的之间的紧密接触有效降低了两相之间的界面阻力,.大幅度地促进了电子由3DG向Mn02的传输。复合材料保持了3DG的三维交联结构,缩短了电解质离子传输途径。同时生长在3DG骨架上的Mn02纳米片提供了更多的电化学反应活性位点,提升复合材料的电容量。在三电极体系中测试,电流密度为2A/g时,3DG-MnO2复合电极电容值可以达到210F/g,经4000次充放电循环测试后,复合电极具有较好的电容保持率(75%)和优异的库伦效率(97.8%),使3DG-MnO2成为电化学储能的理想电极材料之一。石墨烯气凝胶以其丰富的三维结构引起广泛关注。由于气凝胶在凝胶化过程中单个片层之间存在物理交联,导致气凝胶发生部分堆叠和团聚,引起表面积降低,储能效率不高。为了使石墨烯气凝胶满足高能量储存器件的需求,我们采用简单、有效的H3P04活化方法,在石墨烯二维面内创制孔径为2.0-8.0 nm纳米孔洞,使材料呈现出多级孔洞结构。石墨烯气凝胶自身的三维交联结构,以及石墨烯二维面内的纳米孔道结构,不仅能提高电极的利用效率,而且能保证电解质离子在三维平面的传输模式,有利于电容性能的充分发挥。物理吸附测试结果得出,磷酸活化后的石墨烯气凝胶比表面积达到1145m2/g。电化学测试显示最大质量比电容值为204 F/g,电极材料经10000次充放电循环之后,电容的保持率为92%。磷酸活化石墨烯方法为制备石墨烯功能材料提供了一条新途径,具有多级孔道分布的石墨烯气凝胶也将在生物传感、太阳能、纳米电子和电化学储能等领域展示广阔的应用前景。
【关键词】：超级电容器 石墨烯电极 三维结构 MnO_2纳米片 电容性能
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.54;TM53
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-33
• 1.1 引言9-10
• 1.2 超级电容器简介10-14
• 1.2.1 超级电容器组成10-12
• 1.2.2 超级电容器的分类12-13
• 1.2.3 超级电容器的特点、应用与面临问题13-14
• 1.3 三维网络结构石墨烯电极材料14-25
• 1.3.1 石墨烯的结构与性质14-16
• 1.3.2 三维结构石墨烯的结构特点与制备方法16-20
• 1.3.3 三维结构石墨烯在超级电容器中的应用20-21
• 1.3.4 孔洞化石墨烯的结构优势与制备技术21-24
• 1.3.5 孔洞化石墨烯在超级电容器电极材料中的应用24-25
• 1.4 二氧化锰的结构、制备与应用25-29
• 1.4.1 二氧化锰的结构与制备25-28
• 1.4.2 二氧化锰在超级电容器电极材料中的应用28-29
• 1.5 选题的研究意义及内容29-33
• 1.5.1 选题的研究意义29-30
• 1.5.2 选题的研究内容30-33
• 第2章 实验试剂、仪器和分析表征33-39
• 2.1 实验试剂33-34
• 2.2 实验仪器34-35
• 2.3 材料的分析表征35
• 2.4 电极的制备与电化学性能测试分析35-39
• 2.4.1 电极的制备与组装35-36
• 2.4.2 电极的电化学性能测试36-39
• 第3章 三维结构石墨碳上MnO_2纳米片的生长及电化学性能39-53
• 3.1 引言39-40
• 3.2 实验部分40-41
• 3.2.1 CVD法制备三维结构石墨碳40
• 3.2.2 三维结构石墨碳/二氧化锰复合电极材料的制备40-41
• 3.3 结果与讨论41-51
• 3.3.1 3DG-MnO_2复合材料的形貌、结构表征41-47
• 3.3.2. 3DG-MnO_2复合材料的电化学性能47-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第4章 磷酸活化制备石墨烯气凝胶及其电化学性质53-67
• 4.1 引言53-54
• 4.2 实验部分54
• 4.2.1 三维结构气凝胶的制备54
• 4.2.2 磷酸活化制备三维多孔气凝胶54
• 4.3 结果与讨论54-65
• 4.3.1 石墨烯气凝胶的形貌与结构54-61
• 4.3.2 三维多孔气凝胶电极材料的电化学表征61-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第5章 全文总结67-69
• 参考文献69-85
• 致谢85-87
• 攻读硕士学位期间科研成果87

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