【摘要】：氧化石墨烯因其制備成本低、產(chǎn)量大、性能可調(diào)控等優(yōu)點而成為石墨烯應用領域的研究重點之一。碳纖維因其綜合性能優(yōu)異，已被廣泛應用于日常生活中。本論文以氧化石墨烯和碳纖維為研究對象，以電化學沉積法為主要方法，制備石墨烯-碳纖維復合材料，并應用于超級電容器電極，獲得優(yōu)良的電化學性能。 以同步沉積-還原法制備得到具有褶皺起伏結構的石墨烯表面層，使氧化石墨烯沉積在碳纖維表面的同時被一定程度地還原。所制備的石墨烯-碳纖維復合電極直接用于電化學性能測試，在水系電解質(zhì)中的電化學性能優(yōu)異，相比碳纖維的比電容量提高了兩個數(shù)量級。通過進一步優(yōu)化，即對碳纖維進行氧化預處理，然后再沉積石墨烯表面層，其比電容量又提高了一個數(shù)量級，達到22.6μF/cm。循環(huán)充放電5000次后，比電容量仍保持初始值的95%，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。石墨烯表面層顯著提高了復合結構的比表面積，從而形成更多的雙電層界面。 以石墨烯-碳纖維束為復合電極，使用磷酸和聚乙烯醇配制固態(tài)電解質(zhì)，同時作為電極間隔層，組裝可彎曲的固態(tài)超級電容器，其長度比電容達到~13.5mF/cm，能量密度可達1.2~1.9μWh/cm，功率密度可達0.7mW/cm。將該固態(tài)超級電容器彎曲至180°時，其電化學性能沒有降低，并且可以進行串聯(lián)組裝使用，在柔性電子器件中具有一定的應用潛力。 通過分步沉積-還原法，顯著提高碳纖維束上電化學沉積氧化石墨烯的量，然后冷凍干燥、化學還原，形成具有獨特三維立體結構的石墨烯-碳纖維復合電極材料。其長度比電容達到了7mF/cm，質(zhì)量比電容約為35.7F/g，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。為了進一步提高電容性能，在石墨烯片上電聚合聚苯胺納米簇，借助聚苯胺的贗電容特性，可繼續(xù)提升復合電極材料的電化學性能。所制備的聚苯胺-石墨烯-碳纖維復合電極材料直徑約為1mm，長度比電容達到257mF/cm，是石墨烯-碳纖維復合電極材料的36.7倍，質(zhì)量比電容約為205F/g，且能量密度和功率密度分別達到19.6Wh/kg和2.1kW/kg。
【圖文】：

（如 C60，零維結構）、碳納米管（一維結構）等都是碳的同素異形體（圖 1.1）。2004 年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 首次從石墨中剝離出石墨烯[1]，兩人也因此共同獲得了 2010 年諾貝爾物理學獎。作為一種典型的二維納米材料，石墨烯具有優(yōu)異的電子遷移率、電導率、熱導率、透光性和高強度等性能特點，在電子、能源、新型復合材料、生物醫(yī)學和環(huán)保等領域具有巨大的應用潛力，近年來已成為國內(nèi)外研究的熱點之一。

的石墨烯是只有一個碳原子層厚度的、穩(wěn)定的二維薄膜，碳原角型的晶體結構[2]，，并通過褶皺起伏保持其自身的穩(wěn)定性，如圖的每個碳原子與三個相鄰的碳原子形成共價鍵，在垂直于二維一個大π鍵，這樣的結構使其具有很多獨特性能。
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB332;TM53

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 儲長流,朱寧;碳纖維的性能與應用[J];北京紡織;2001年06期

2 黎小平,張小平,王紅偉;碳纖維的發(fā)展及其應用現(xiàn)狀[J];高科技纖維與應用;2005年05期

3 朱宏偉;;石墨烯:單原子層二維碳晶體——2010年諾貝爾物理學獎簡介[J];自然雜志;2010年06期

本文編號：2558697