本文關鍵詞：三維納米結構石墨烯基纖維復合材料的制備及其電化學性質的研究

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【摘要】：在材料化學和納米技術領域,具有分級結構或復雜外形的三維納米材料已經吸引了越來越多的關注度。因為三維納米分級結構材料不僅可以繼承組成單位的優(yōu)越特性,還可以通過材料的特殊結構獲得額外的優(yōu)異性能。目前已經有諸多報道關于三維結構納米材料的制備和應用前景的研究。在各種不同的應用領域,超級電容器作為一種最有前途的電化學儲能裝置,引起了人們極大的研究熱情。因為其擁有高的功率密度,可快速的進行充放電,循環(huán)壽命長等突出優(yōu)勢。超級電容器主要通過以下兩種運行機制存儲能量：(1)雙電層電容(EDLC),源于電極表面電荷聚集形成的雙電層；(2)贗電容,由于電極材料與電解質發(fā)生可逆的氧化還原反應。石墨烯作為最先進碳材料的代表,擁有較大的比表面積(利于電解質離子的轉移),電導率高(在電極制備過程中可省卻添加導電劑),優(yōu)越的機械性能(利于制備柔性電極)和較寬的電位窗口。盡管如此,但是對于大部分的能量儲存裝置,單純的碳材料產生的雙電層電容不能夠滿足需要。為了解決這一問題,我們選擇了石墨烯基金屬復合材料來充分發(fā)揮石墨烯雙電層電容的循環(huán)穩(wěn)定性和金屬材料較高能量密度的贗電容。該復合材料也可以避免金屬氧化物／金屬氫氧化物電導率低和穩(wěn)定性差的缺點。眾所周知,固相熱解法是目前制備多層石墨烯最常用的方法之一,可在催化劑的條件下在相對較低的溫度獲得產品,而且工藝簡單,生產規(guī)模較大。我們還沒有看到簡單制備三維分級結構的石墨烯基金屬復合材料的相關報道。因此本文通過結合固相熱解法(金屬納米顆粒與石墨烯包覆層同時生成),靜電紡絲技術(制備納米超長纖維骨架)和水熱法(過程簡單,可以通過控制反應溫度、時間和溶液成分等,調控次級結構的自組裝)材料制備技術,原位合成具有特殊三維結構的石墨烯基金屬納米纖維復合材料。該材料具有獨特的孔結構,有利于離子和電子的傳輸,并且外面包覆的石墨烯層可以防止材料在電化學反應過程中結構發(fā)生變化。本論文主要的研究內容如下：(1)鎳@石墨烯纖維復合材料的制備及電化學性能：以聚丙烯腈(PAN)纖維為前驅體,利用水熱處理方法制備Ni(OH)2/PAN 分級結構纖維。通過兩組實驗的掃描電鏡圖片分別探討溫度和時間的改變對次級結構生長的影響,最終根據(jù)其形態(tài)優(yōu)勢選擇了17℃、15 h條件下的水熱產物Ni(OH)2@PAN進行后續(xù)處理。浸潤聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液后,Ni(OH)2@PAN通過在含有5%氫氣的氬氣中900℃煅燒3min,最終得到仿生榆錢外形結構的鎳@石墨烯纖維。用該材料制備電極過程中沒有加入任何其他的導電劑,通過循環(huán)伏安法、恒流充放電等電化學測試分析其電學性能。該電極材料在0.5 A/g電流密度下比電容可以達到288.3 F/g；并且在1 A/g電流密度下循環(huán)5000次后比電容仍能夠保持原始的84%,這個結果顯示出該電極材料具有良好的電化學循環(huán)穩(wěn)定性。并且通過循環(huán)伏安曲線深入探討了電極材料的贗電容機理,表明氫氧化鎳(a-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2),氧化氫氧化鎳(p-NiOOH和y-NiOOH)在循環(huán)過程中不斷的發(fā)生相轉化。(2)鎳-鈷@石墨烯纖維復合材料的制備及電化學性能：選用不同的前驅體纖維(PAN纖維、PMMA/Ni(AC)2纖維、PMMA纖維)經相同的水熱條件進行處理,表明對于不同的前驅體纖維構筑相同成分的次級結構的條件不同；并通過不同高溫煅燒時間處理PAN前驅體纖維水熱產物,證明了金屬顆粒外包覆的石墨烯層能實現(xiàn)可控生長。鉆酸鎳/[PMMA/Ni(AC)2]在后續(xù)經氬氣氛圍中700℃煅燒20 min制備鎳-鈷@石墨烯纖維復合材料之前無需再加入固定碳源。通過循環(huán)伏安法、恒流充放電等電化學測試分析表明,該材料的倍率性能很好；該電極材料在0.5 A/g電流密度下的充放電數(shù)據(jù)得到,該條件下材料的比電容可以達到419 F/g。并且通過結合鎳-鈷@石墨烯纖維酸化后樣品的循環(huán)伏安曲線得出,金屬外包覆的石墨烯不僅維持了材料獨特的三維結構,增加了比表面積；還能夠產生雙電層電容為材料的比電容做貢獻。
【關鍵詞】：超級電容器 石墨烯 靜電紡絲 三維結構
【學位授予單位】：安徽大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM53;TB33
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 超級電容器12-16
• 1.1.1 超級電容器的研究意義和結構12-13
• 1.1.2 超級電容器的儲能機理13-15
• 1.1.3 超級電容器的電極材料15-16
• 1.2 石墨烯16-19
• 1.2.1 石墨烯的特性和制備方法16-17
• 1.2.2 三維石墨烯基復合材料的超級電容器電極17-19
• 1.3 靜電紡絲技術19-22
• 1.3.1 靜電紡絲技術原理及基本過程19-20
• 1.3.2 靜電紡絲技術在超級電容器電極材料方向的應用20-22
• 1.4 本選題的意義和內容22-24
• 第二章 實驗部分24-30
• 2.1 實驗所用儀器與試劑24-25
• 2.1.1 實驗所用試劑24
• 2.1.2 實驗所用儀器24-25
• 2.2 材料表征所用儀器簡介25-28
• 2.2.1 X射線衍射儀(XRD)25
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)25-26
• 2.2.3 高分辨透射電子顯微鏡(TEM)26
• 2.2.4 拉曼光譜儀26
• 2.2.5 比表面積及孔隙率分布測試儀(BET)26-27
• 2.2.6 電學性能測試方法和原理27-28
• 2.3 本章小結28-30
• 第三章 鎳@石墨烯復合材料的制備及其電化學性質的研究30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 實驗部分30-32
• 3.2.1 前驅體纖維的制備30-31
• 3.2.2 三維結構的鎳@石墨烯復合材料的制備31
• 3.2.3 電極制備與電化學性質測試31-32
• 3.3 結果與討論32-41
• 3.3.1 PAN前驅體纖維水熱法構筑次級結構32-34
• 3.3.2 所制備的Ni(OH)_2@PAN形貌和成分的表征34-35
• 3.3.3 鎳@石墨烯纖維形貌、結構和成分的表征35-37
• 3.3.4 鎳@石墨烯纖維電學性質的表征37-41
• 3.4 本章小結41-44
• 第四章 鎳-鈷@石墨烯復合材料的制備及其電化學性質的研究44-58
• 4.1 引言44-45
• 4.2 實驗部分45-47
• 4.2.1 實驗中所用到的電紡纖維的制備45
• 4.2.2 三維結構的鎳-鈷@石墨烯復合材料的制備45-46
• 4.2.3 酸處理鎳-鈷@石墨烯復合材料46
• 4.2.4 電極制備與電化學性質測試46-47
• 4.3 結果與討論47-56
• 4.3.1 水熱法次級結構的構筑47-48
• 4.3.2 NiCo_2O_4/[PMMA/Ni(AC)_2]形貌和成分的表征48-49
• 4.3.3 以PMMA/Ni(AC)_2纖維為前驅體制備鎳-鈷@石墨烯結構纖維49-52
• 4.3.4 以PMMA/Ni(AC)_2纖維為前驅體制備的鎳-鈷@石墨烯結構纖維的電化學性質52-53
• 4.3.5 酸化后的鎳-鈷@石墨烯結構纖維的電化學性質53
• 4.3.6 以PAN纖維為前驅體制備鎳-鈷@石墨烯結構纖維53-56
• 4.4 本章小結56-58
• 第五章 總結與展望58-60
• 5.1 工作總結58-59
• 5.2 工作展望59-60
• 參考文獻60-70
• 致謝70-72
• 攻讀碩士學位期間成果72

【參考文獻】

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 宋佳;碳包覆納米金屬氧化物的制備及其電容性能研究[D];北京化工大學;2011年

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本文編號：645082