發(fā)布時間：2017-04-23 05:08

  本文關(guān)鍵詞：石墨烯水凝膠和量子點(diǎn)組裝的三維電極的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：超級電容器是介于二次電池和傳統(tǒng)電容器的新型儲能器件,它有充電時間短、功率密度高、循環(huán)壽命長、生產(chǎn)成本低、安全和污染小等特點(diǎn),在交通運(yùn)輸、能源、生物技術(shù)和軍事等方面有著極大的應(yīng)用潛力。然而與已商用的鉛酸電池和鋰離子電池相比,雖然超級電容器有高的功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性,但是其較低的能量儲存能力難以滿足人們工作和生活中日益增長的需求。石墨烯因其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、較好的導(dǎo)電性、較高的比表面積和較強(qiáng)的機(jī)械性能,成為超級電容器研究領(lǐng)域中最熱門的電極材料之一。在本論文中,我們通過對氧化石墨烯進(jìn)行水熱處理,制備三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)石墨烯水凝膠,有效抑制了石墨烯的團(tuán)聚,獲得了較高的雙電層電容和穩(wěn)定的循環(huán)性能。然而,雙電層電容材料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,是本論文擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。我們采用自下而上堿催化水相分子融合法,制備了表面胺基功能化的石墨烯量子點(diǎn),它既有石墨烯的高比表面積、高穩(wěn)定性和導(dǎo)電性的特性,其表面胺基功能化又使得其具有高贗電容活性。我們分別采用原位水熱法和電泳沉積法,將胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)和石墨烯水凝膠進(jìn)行組裝,構(gòu)筑成具有高比容量、高能量密度、高功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性的胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維結(jié)構(gòu)的超級電容器。具體的內(nèi)容如下:1.采用改良的Hummer法制備單層氧化石墨烯,通過調(diào)控水熱法的溫度和時間合成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠。通過SEM、FTIR、XRD、TEM、Raman和XPS等對石墨烯水凝膠的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征。將制備的石墨烯水凝膠電極材料組裝成超級電容器,發(fā)現(xiàn)其具有較高的比容量和高的循環(huán)穩(wěn)定性,以1 M H2SO4為電解液,在1 m A/cm2電流密度下該超級電容器電極的面容量為536.5 m F/cm2,20 m A/cm2電流密度時經(jīng)過10000次恒電流充放電循環(huán)后電容器的容量保留率達(dá)到100%。2.采用原位水熱法制備胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維電極及其電容性能研究。首先,采用堿催化水相分子融合法制備表面胺基功能化的石墨烯量子點(diǎn),通過AFM、TEM、XRD、Raman、FTIR和XPS等分析胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和形貌。通過調(diào)控水熱反應(yīng)的溫度和時間,改變石墨烯量子點(diǎn)的加入量,將胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)與石墨烯水凝膠進(jìn)行原位組裝,制備三維復(fù)合電極材料。通過SEM、EDS、XRD和FTIR等對復(fù)合材料進(jìn)行分析表征。在三電極系統(tǒng)下,以1 M H2SO4為電解液,胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠復(fù)合材料的CV曲線出現(xiàn)氧化還原峰,在10 m V/s掃描速率下,其克容量達(dá)到409 F/g,遠(yuǎn)高于未負(fù)載前的石墨烯水凝膠,說明負(fù)載的胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)提供了高的贗電容,同時探討該復(fù)合材料的贗電容反應(yīng)機(jī)理。將該復(fù)合材料組裝成對稱型超級電容器,電容性能測試發(fā)現(xiàn),1 A/g電流密度時電極的克容量達(dá)到312.8 F/g,電容器的能量密度可達(dá)10.9 Wh/kg,功率密度為250 W/kg。在2A/g電流密度下,克容量為300 F/g,經(jīng)過5000次循環(huán)后其容量保留率為94%。3.采用電泳沉積法制備胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維電極及其電容性能研究。選擇石墨烯水凝膠為正極,通過調(diào)控沉積的時間和電壓,將帶負(fù)電荷的胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)電泳沉積負(fù)載到石墨烯水凝膠上,制備胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維復(fù)合電極材料。通過XRD、SEM、TEM、XPS、BET、Raman和FTIR等對復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和形貌的表征。在三電極體系中,以1M H2SO4為電解液,掃描速率為10 m V/s時,胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠復(fù)合電極的面容量達(dá)到2537 m F/cm2。胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠電極組裝的對稱型超級電容器在1 m A/cm2電流密度下,電極的面容量高達(dá)2322.1 m F/cm2,比負(fù)載前石墨烯水凝膠組裝的超級電容器的面容量提高了3倍。胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠組裝的超級電容器的能量密度可達(dá)83.3 u Wh/cm2,功率密度為250 u W/cm2。同時,在大的電流密度30 m A/cm2時,經(jīng)過10000次恒電流充放電循環(huán)后其容量保留率達(dá)到100%。
【關(guān)鍵詞】：胺基功能化石墨烯量子點(diǎn) 石墨烯水凝膠 三維電極 電容性能 原位水熱法 電泳沉積法
【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】：2015
【分類號】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 緒論14-30
• 1.1 引言14
• 1.2 超級電容器簡介14-22
• 1.2.1 超級電容器的工作原理15-17
• 1.2.2 超級電容器的結(jié)構(gòu)及分類17-19
• 1.2.3 超級電容器的特點(diǎn)19-21
• 1.2.4 超級電容器的應(yīng)用21-22
• 1.3 超級電容器電極材料的研究進(jìn)展22-27
• 1.3.1 石墨烯材料23-26
• 1.3.2 石墨烯量子點(diǎn)材料26-27
• 1.4 本課題研究的目的與內(nèi)容27-30
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分30-38
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器設(shè)備30-31
• 2.1.1 主要實(shí)驗(yàn)原料和試劑30-31
• 2.1.2 主要儀器設(shè)備31
• 2.2 材料的主要表征31-34
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡分析（SEM）31-32
• 2.2.2 透射電子顯微鏡分析（TEM）32
• 2.2.3 X射線衍射分析（XRD）32
• 2.2.4 Raman分析（Raman spectrum）32-33
• 2.2.5 X射線光電子能譜（XPS）33
• 2.2.6 傅里葉變換紅外光譜技術(shù)分析（FTIR）33
• 2.2.7 比表面積和孔徑分析(BET)33-34
• 2.2.8 原子力顯微鏡(AFM)34
• 2.3 電極測試裝置的組裝34-37
• 2.3.1 三電極測試34
• 2.3.2 兩電極測試34-35
• 2.3.3 循環(huán)伏安法測試35-36
• 2.3.4 恒流充放電測試36-37
• 2.3.5 交流阻抗譜測試37
• 2.4 本章小結(jié)37-38
• 第三章 三維石墨烯水凝膠電極的制備及其電容性能的研究38-50
• 3.1 引言38
• 3.2.實(shí)驗(yàn)部分38-40
• 3.2.1 氧化石墨烯的制備38-39
• 3.2.2 三維網(wǎng)狀石墨烯水凝膠的制備39-40
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論40-49
• 3.3.1 三維石墨烯水凝膠電極材料表征40-45
• 3.3.2 三維石墨烯水凝膠電極材料電容性能測試45-49
• 3.4 本章小結(jié)49-50
• 第四章 原位水熱法組裝胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維電極及其電容性能的研究50-67
• 4.1 引言50-51
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分51-53
• 4.2.1 胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)的制備51-52
• 4.2.2 原位水熱法組裝胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維電極52-53
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論53-65
• 4.3.1 胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)的表征53-57
• 4.3.2 胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維電極的材料表征57-61
• 4.3.3 胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠復(fù)合材料電極的電容性能研究 4861-65
• 4.4 本章小結(jié)65-67
• 第五章 電泳沉積法制備胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維電極及其電容性能研究67-83
• 5.1 引言67
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分67-68
• 5.3 結(jié)果和討論68-81
• 5.3.1 胺基功能化石墨烯量子點(diǎn)/石墨烯水凝膠三維電極材料表征68-74
• 5.3.2 三維電極的電容性能研究74-81
• 5.4 本章小結(jié)81-83
• 第六章 結(jié)論與研究展望83-86
• 6.1 結(jié)論83-85
• 6.2 研究展望85-86
• 參考文獻(xiàn)86-97
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間科研成果97-98
• 致謝98

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