【摘要】：超級電容器是一種可以迅速儲存和釋放電荷的新型儲能裝置,電極材料是決定其性能的主要因素之一。隨著石墨烯研究的深入,人們逐漸用石墨烯材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳材料作為超級電容器的電極材料,但是石墨烯片層之間因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的范德華力,容易發(fā)生堆疊和團(tuán)聚,影響其比表面積和電解質(zhì)離子的傳輸。為解決這一問題,我們在二維石墨烯表面創(chuàng)制一定數(shù)量的納米孔洞,以提高石墨烯的比表面積,為電解質(zhì)離子提供傳輸通道,促進(jìn)電解質(zhì)離子的傳輸。本論文主要通過溶劑熱法以及化學(xué)氣相沉積法,制備了兩種不同微觀結(jié)構(gòu)的石墨烯納米篩,探討了溶劑熱法制備的石墨烯納米篩的生長機(jī)理,研究了化學(xué)氣相沉積法制備的納米篩表面含氧官能團(tuán)對其電容性能的影響,主要工作進(jìn)展如下：以氧化石墨烯(GO)為原料,空氣為氧化劑,通過溶劑熱過程引起的高溫高壓,使空氣中的02分子氧化刻蝕GO片層上的碳原子,生成CO或C02氣體,從而在石墨烯片層上形成納米孔洞。我們探索了溶劑熱合成中混合溶劑水和乙二醇(EG)的組成、填充氣氛(空氣、氧氣和氬氣)以及不同的溶劑熱反應(yīng)時間等因素對石墨烯孔洞化程度的影響。將GO混合溶液的濃度增加到2.0 mg mL~(-1)時,可以進(jìn)一步將孔洞化的石墨烯自組裝為多孔石墨烯氣凝膠。對多孔石墨烯氣凝膠進(jìn)行掃描、透射、拉曼、紅外以及氮?dú)馕降染C合表征,結(jié)果表明,二維石墨烯片層上存在著1.5-5.0 nm的納米孔洞,且多孔石墨烯氣凝膠的比表面積為528 m~2 g~(-1)。電化學(xué)測試結(jié)果表明,在6.0 mol L~(-1)的KOH電解質(zhì)中,當(dāng)電流密度為0.5 Ag~(-1)時,其比電容為170 Fg~(-1)；當(dāng)電流密度從0.5 A g~(-1)增大到20 Ag~(-1)時,其電容保持率為73%,弛豫時間常數(shù)為3.03 s,表明孔洞化的石墨烯可以提高電解質(zhì)離子在二維面內(nèi)豎直方向的傳輸能力,這為可控制備分級孔洞化的石墨烯塊體材料提供了新方法,多級石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有望在環(huán)境、催化、傳感器及電化學(xué)儲能方面展示良好的應(yīng)用前景。將模板輔助化學(xué)氣相沉積法得到的石墨烯納米篩,分別在200℃、400℃、600 ℃和800℃下氫氣還原,探究了石墨烯納米篩表面含氧官能團(tuán)對其電容性能的影響。采用拉曼光譜和XPS對不同溫度下的還原產(chǎn)物進(jìn)行表征,結(jié)果表明,隨著還原溫度的升高,還原產(chǎn)物的含氧量逐漸減小。此外,以6.0 mol L~(-1)的KOH溶液為電解質(zhì),將不同溫度下還原得到的石墨烯納米篩在兩電極體系下進(jìn)行測試,當(dāng)電流密度為0.2 A g~(-1)時,其電容值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且當(dāng)還原溫度為400℃時,得到的還原產(chǎn)物的比電容最大(250 F g~(-1))；當(dāng)電流密度從1.0 A~(-1)增大到30 Ag~(-1)時,其電容保持率為83%。結(jié)合XPS表征結(jié)果,我們猜測電極材料的贗電容可能主要是由C-O貢獻(xiàn),且各含氧官能團(tuán)的含量可能會影響電極材料的電容性能。
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此外，超級電容器還具有充電時間短，，循環(huán)壽命長等一系列特點(diǎn)，已經(jīng)被廣逡逑泛應(yīng)用于數(shù)字通訊、動力機(jī)車、航空航天等領(lǐng)域［２】。逡逑超級電容器主要由電極材料、電解質(zhì)、集流體、隔膜四部分構(gòu)成（如圖１－１逡逑所示）。逡逑（１）電極材料逡逑電極材料是超級電容器的核也部分，是決定超級電容器的主要性能指標(biāo)［９］。逡逑目前，超級電容器電極材料主要分為兩大類，分別為kt電容電極材料和雙電層電逡逑極材料。逡逑第一類電極材料為腰電容電極材料，常見的腰電容材料有過渡金屬氧化物（如逡逑Ｍｎ0２\�、＿b

本文編號：2580275