【摘要】：超級電容器集大功率、長壽命、環(huán)保、高效等特性于一身,具有工作溫度寬、可靠性高、快速充放電等特點,是一種介于傳統(tǒng)電容器與二次電池之間的新型儲能裝置,在電子、通訊航空、航天工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應用。電解液作為超級電容器重要組成部分,在超級電容器中發(fā)揮正負極之間傳輸電荷的作用,影響著超級電容器的比容量、循環(huán)效率、工作溫度范圍及安全性能等重要特性。因此尋找合適的電解液材料,是目前的研究重點之一。作為一種新型的準零維石墨烯碳材料,石墨烯量子點(graphene quantum dots,GQDs)具有量子限域效應、大的比表面積、邊緣效應和獨特的光電傳輸特性,因此被廣泛應用于超級電容器領(lǐng)域。研究表明GQDs的諸多特性和表面官能團有著不可分割的關(guān)系,這使得表面官能團在GQDs基超級電容器領(lǐng)域中起著重要的作用。但GQDs表面的官能團多樣使得溶液中GQDs的離子電導率受到一定程度的影響。因而,如何調(diào)控GQDs的官能團來提高其在溶液中的離子傳輸性并將其高效的應用于超級電容器電解液中仍然有待研究。本文以泡沫鎳為基底,通過化學氣相沉積法(CVD)制備出了三維石墨烯(three-dimensional graphenes,3DGs)。然后以3DGs為原材料,通過一步水熱法制備得到GQDs。采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)、紫外可見吸收光譜(UV)以及熒光光譜(PL)分別對3DGs、GQDs的形貌、粒徑、表面官能團和光學性質(zhì)進行分析。結(jié)果表明以CVD制備得到的3DGs的質(zhì)量比較好,石墨化程度高,層數(shù)少,但表面存在褶皺以及不可避免的缺陷。GQDs粒徑分布在10-20 nm,表面僅含羥基官能團(-OH),并且當用360 nm波長激發(fā)GQDs時,在452 nm處有最大發(fā)射波長。將GQDs水溶液作為超級電容器的電解液進行交流阻抗測試(EIS),研究濃度、光照、酸堿性對電解液中離子傳輸性的影響。結(jié)果表明:隨著GQDs濃度的增大,溶液中測得的等效串聯(lián)電阻值減小,離子傳輸速率增大;對電解液進行10 min光照射,溶液中的離子傳輸速率高于無光照時;酸性溶液中的等效串聯(lián)電阻值小于堿性溶液,離子傳輸速率比堿性溶液快。分析原因是:由3DGs制備得到的GQDs,表面僅含少量的羥基官能團,在電解時,溶液中電離釋放的只有H~+離子,當環(huán)境中偏酸性時,電離瞬間溶液中的H~+數(shù)量增加,使得溶液中離子傳輸速度加快。光照后,GQDs能夠增強吸光度,加快光誘導電子空穴對分解以及溶液中電子轉(zhuǎn)移速率,導致溶液中離子傳輸速率高于無光照組。本論文研究結(jié)果可以為超級電容器電解液添加劑及模擬計算離子傳輸性提供數(shù)據(jù)參考。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O613.71;TB383.1

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本文編號：2685169