本文關(guān)鍵詞：氮摻雜石墨烯電極的構(gòu)筑及其電化學(xué)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能器件,具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長等特點(diǎn),在混合動力汽車、電信通訊、軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用市場。石墨烯水凝膠具有良好的三維結(jié)構(gòu),擁有較高的比表面積和較低的密度,具有良好的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電性,同時富含孔隙結(jié)構(gòu),將其應(yīng)用在超級電容器領(lǐng)域具有非常重要的意義。然而,純石墨烯水凝膠應(yīng)用在超級電容器中其雙電層電容的比容量和能量密度遠(yuǎn)低于贗電容材料,無法滿足實(shí)際需求。如何在保持石墨烯水凝膠所具有的高循環(huán)穩(wěn)定性和快速充放電能力的同時,大幅度提升比容量和能量密度,是本文擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。我們將采用電泳沉積法,將高度氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)摻雜到石墨烯水凝膠中,構(gòu)筑氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極材料。在不破壞石墨烯水凝膠原有的內(nèi)連通多孔有利于雙電層電容的空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,石墨烯量子點(diǎn)作為碳材料的摻入將增加雙電層電容。更重要的是,量子點(diǎn)表面和邊緣的氮活性位作為贗電容活性物質(zhì)將大幅度提升電極材料的比容量和能量密度。另外,我們探索采用電泳沉積法將氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)電沉積到金叉指電極上,制備出了電化學(xué)性能優(yōu)異的石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器。本論文的研究內(nèi)容主要包括以下三個方面:1.氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極的制備及其表征。我們采用電泳沉積法將高濃度氮摻雜的石墨烯量子點(diǎn)負(fù)載到石墨烯水凝膠上,制備出多孔、內(nèi)連通、比表面積高的氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極,通過TEM、AFM、SEM、XRD、XPS、Raman和FTIR等分別對石墨烯量子點(diǎn)、石墨烯水凝膠和氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極材料進(jìn)行形貌和結(jié)構(gòu)的表征。2.氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極電化學(xué)性能的研究及其在對稱型超級電容器中的應(yīng)用。在三電極體系中,以1M H2SO4為電解液,通過研究沉積電壓和時間對氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極的電化學(xué)性能的影響,確定電壓30 V和沉積時間20 min作為具有最佳電化學(xué)性能的電極的沉積條件。所制備的氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極在1 mA cm-2的電流密度下的比容量高達(dá)1401 mF cm-2,遠(yuǎn)高于相同電流密度下石墨烯水凝膠電極的比容量(599.9 mF cm-2)。當(dāng)電流密度提高到100 mA cm-2時,氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極的比容量仍能達(dá)到1040 mF cm-2,為1 mA cm-2時的74%,表明所制備的氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極具有高倍率充放電性能。氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極組裝成對稱型超級電容器,在0.2 mA cm-2電流密度下,該超級電容器的比容量可以達(dá)到1025.6 mF cm-2(579 F g-1),具有71.2μWh cm-2(20.1 Wh kg-1)的高能量密度。將三個氮摻雜石墨烯水凝膠對稱型超級電容器串聯(lián)后,在15 mA cm-2的電流密度下,充電15.2 s后,可以將工作電壓為2 V的紅色LED持續(xù)點(diǎn)亮長達(dá)40 min,這說明該超級電容器具有實(shí)際應(yīng)用價值。在15 mA cm-2的電流密度下,經(jīng)過10000次充放電循環(huán)后,該超級電容器的容量保留率為93%,說明氮摻雜石墨烯水凝膠超級電容器不僅具有高的比容量和能量密度,而且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。3.氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)在微型超級電容器上的應(yīng)用。采用水合肼堿催化水相分子融合法制備出高濃度氮摻雜的石墨烯量子點(diǎn),并通過AFM、TEM、XPS、Raman等對其進(jìn)行表征,然后采用電沉積法將量子點(diǎn)沉積到金叉指電極上,制備成氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器。分別選用1 M H2SO4溶液和H3PO4-PVA作為電解質(zhì),研究氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器的電化學(xué)性能。在1 M H2SO4電解液中,電流密度為50μA cm-2時,氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器有的面容量達(dá)到41.8 mF cm-2,能量密度為5.8μWh cm-2。在掃描速率為1 V s-1時,氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器經(jīng)過5000次充放電循環(huán)后仍有91%的容量保持率;以H3PO4-PVA為電解質(zhì),電流密度為10μA cm-2時,組裝的全固態(tài)石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器的面容量為19.3 mF cm-2,能量密度達(dá)到2.7μWh cm-2。在掃描速率為1 V s-1時,該全固態(tài)微型超級電容器經(jīng)過5000次充放電循環(huán)后仍有90%的容量保持率,說明氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器具有優(yōu)秀的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：氮摻雜 石墨烯量子點(diǎn) 石墨烯水凝膠 電泳沉積法 超級電容器
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 緒論14-29
• 1.1 引言14-15
• 1.2 超級電容器簡介15-22
• 1.2.1 超級電容器的工作原理16-17
• 1.2.2 超級電容器的結(jié)構(gòu)與分類17-19
• 1.2.3 超級電容器的特點(diǎn)19-20
• 1.2.4 超級電容器的應(yīng)用領(lǐng)域20-22
• 1.3 超級電容器電極材料22-25
• 1.3.1 雙電層電極材料22-24
• 1.3.2 贗電容電極材料24-25
• 1.4 氮摻雜對碳基材料電容性能的改性25-26
• 1.5 石墨烯量子點(diǎn)的簡介26-27
• 1.6 本課題研究的目的與內(nèi)容27-29
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法29-37
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器設(shè)備29-30
• 2.1.1 主要實(shí)驗(yàn)原料和試劑29
• 2.1.2 主要儀器設(shè)備29-30
• 2.2 材料的表征方法30-33
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡分析（SEM）30
• 2.2.2 透射電子顯微鏡分析（TEM）30-31
• 2.2.3 能譜分析儀（EDS）31
• 2.2.4 X射線衍射分析（XRD）31
• 2.2.5 拉曼光譜分析（Raman）31
• 2.2.6 X射線光電子能譜（XPS）31-32
• 2.2.7 傅里葉變換紅外光譜技術(shù)分析（FTIR）32
• 2.2.8 原子力顯微鏡(AFM)32
• 2.2.9 固液吸附法測定固體比表面積32-33
• 2.3 電化學(xué)性能測試33-36
• 2.3.1 電極測試體系33-34
• 2.3.2 循環(huán)伏安法測試34-35
• 2.3.3 恒流充放電測試35-36
• 2.3.4 交流阻抗譜測試36
• 2.4 本章小結(jié)36-37
• 第三章 氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極的制備及其表征37-58
• 3.1 引言37-38
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分38-41
• 3.2.1 三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)石墨烯水凝膠的制備38-39
• 3.2.2 堿催化水相分子融合法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)39-40
• 3.2.3 電泳沉積法制備三維氮摻雜石墨烯水凝膠復(fù)合材料40-41
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論41-57
• 3.3.1 氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的表征41-47
• 3.3.2 三維石墨烯水凝膠電極材料的表征47-51
• 3.3.3 氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極材料的表征51-57
• 3.4 本章小結(jié)57-58
• 第四章 氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極的電容性能及其在對稱型超級電容器中的應(yīng)用58-69
• 4.1 引言58
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分58-60
• 4.2.1 氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極組裝成對稱型超級電容器58-59
• 4.2.2 氮摻雜石墨烯水凝膠電極的電容性能測試59
• 4.2.3 氮摻雜石墨烯水凝膠對稱型超級電容器的電容性能測試59-60
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論60-68
• 4.3.1 氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極電容性能研究60-63
• 4.3.2 氮摻雜石墨烯水凝膠三維電極組裝成對稱型超級電容器的電化學(xué)性能研究63-68
• 4.4 本章小結(jié)68-69
• 第五章 氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)在微型超級電容器上的應(yīng)用69-82
• 5.1 引言69-70
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分70-72
• 5.2.1 堿催化水相分子融合法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)70
• 5.2.2 氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)電極的制備70-71
• 5.2.3 H_3PO_4-PVA電解質(zhì)的制備71
• 5.2.4 氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器的電容性能測試71-72
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論72-80
• 5.3.1 氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的表征72-76
• 5.3.2 氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)電極的表征76-77
• 5.3.3 氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)微型超級電容器的電化學(xué)性能77-80
• 5.4 本章小結(jié)80-82
• 第六章 結(jié)論與研究展望82-86
• 6.1 全文結(jié)論82-83
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)83-84
• 6.3 研究展望84-86
• 參考文獻(xiàn)86-95
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間科研成果95-96
• 致謝96

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