过渡金属氧化物@三维石墨烯电极材料的组装及性能研究

发布时间：2018-05-24 03:16

本文选题：石墨烯气凝胶 + 锰氧化物　；参考：《郑州大学》2017年硕士论文

【摘要】：超级电容器,也称为电化学超级电容器,具有高功率密度和长循环寿命等优点,被认为是新一代的储能设备,在诸多电子器件和设备中呈现出极好的应用前景。与常规二维石墨烯相比,三维石墨烯气凝胶(graphene aerogel,GA)具有表面积大和电子、离子传导性及机械性能更佳等优点,使其有望用于储能设备。但一方面石墨烯提供的电容主要是双电层电容,由于没有氧化还原反应发生,其电化学性能受到限制。另一方面,过渡金属氧化物作为赝电容材料时可以提供较高的电容和能量密度,但存在着循环寿命差等缺点。采用适当的合成工艺并调控好其化学组成,制得的过渡金属氧化物掺杂GA复合材料有望同时具有二者的优点,因此这类材料成为储能设备电极材料的研究热点之一。本论文分别利用直接水热合成法或浸渍法并结合冷冻干燥或焙烧工艺,先后制备了几种过渡金属氧化物掺杂GA的复合材料,利用诸多手段对其进行了表征,并较详尽地考察了其作为超级电容器电极材料时的电化学性能,主要工作如下:(1)以乙酸锰和氧化石墨烯(GO)为前驱物,分别以聚乙二醇6000和氢氧化钠为活性剂和矿化剂,采用一锅煮直接水热合成法结合冷干工艺,成功制备了Mn3O4纳米粒子掺杂GA(Mn3O4@GA)复合材料。结果表明,Mn3O4颗粒均匀分散于GA的3D结构中;当电流密度为0.5 A g-1时,该复合材料的比容量高达408.5 F g-1,并呈现出较好的倍率性能和循环稳定性能,1 A g-1的电流密度下循环2000次后,其比容量仍保持初始值的96.81%。(2)以硝酸钴和GO为前驱物,以尿素为活性剂,采用一锅煮直接水热合成法结合冷干及焙烧工艺,成功制备了Co3O4纳米粒子掺杂GA(Co3O4@GA)复合材料。结果表明,Co3O4@GA比表面积高达463.2 m2 g-1,其中球型Co3O4颗粒均匀分散于GA中;当电流密度为1 A g-1时,所得复合材料比容量高达673.4F g-1,远远高于单纯Co3O4(296.1 F g-1),并呈现出优异的倍率性能和循环稳定性能,1 A g-1的电流密度下循环2000次后,初始比容量仅降低3.00%。(3)以高锰酸钾和GO为前驱物,采用在酸性体系中一锅煮直接水热合成法结合冷干及焙烧工艺,成功制备了MnO2纳米粒子掺杂GA(MnO2@GA)复合材料。结果表明,MnO2@GA复合材料具有丰富的孔结构和较大的比表面积(SBET=196.6 m2 g-1);当电流密度为0.5 A g-1时,MnO2@GA的比容量(379.7 F g-1)明显高于单纯MnO2(101.3 F g-1),并呈现出较好的倍率性能和循环稳定性能,0.5 A g-1的电流密度下循环2000次后,初始比容量仅降低3.87%。(4)以GO为原料,采用直接水热还原法结合冷干工艺,成功制备了单纯GA。进而将其分散于硝酸镍乙醇溶液中,借助浸渍、焙烧工艺将NiO纳米粒子掺杂其中,制得NiO@GA复合材料。结果表明,与单纯NiO(SBET=16.6 m2 g-1)相比,该复合材料表现出更大的比表面积(SBET=104.1 m2 g-1);当电流密度为0.5 A g-1时,NiO@GA的比容量高达893.1 F g-1,并呈现出较好的倍率性能和循环稳定性能,0.5 A g-1的电流密度下循环2000次后,初始比容量保持率为97.5%,远远高于相应的单纯NiO(初始比容量保持率为69.3%)。(5)以硝酸铜为前驱物,采用与上述NiO@GA相似工艺,制得CuO@GA复合材料。结果表明,柱状CuO颗粒较均匀地分散于GA中,与单纯CuO(SBET=0.6 m2 g-1)相比,该复合材料表现出较大的比表面积(SBET=100.3 m2 g-1);当电流密度为0.5 A g-1时,CuO@GA的比容量高达508.8 F g-1,远高于单纯CuO(180.0 F g-1),并呈现出较好的倍率性能和循环稳定性能,0.5 A g-1的电流密度下循环2000次后,初始比容量保持率为95.3%。
[Abstract]:In this paper , the composite materials of transition metal oxides doped with GA are prepared by direct hydrothermal synthesis or impregnation method . The results show that the prepared transition metal oxide - doped GA composite has the advantages of high specific surface area and electron , ionic conductivity and mechanical properties . The results show that the specific surface area ( SBET = 100.3 m2 g - 1 ) is higher than that of simple CuO ( SBET = 0.6 m2 g - 1 ) . When the current density is 0.5 A g - 1 , the specific capacity of CuO @ GA is up to 508.8 F g - 1 , which is much higher than that of pure CuO ( 180.0 F g - 1 ) . The initial specific capacity retention rate is 95.3 % after 2000 cycles at a current density of 0.5 A g - 1 .
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB332;TM53

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