發(fā)布時(shí)間：2017-03-27 05:10

  本文關(guān)鍵詞：石墨烯基超級(jí)電容器電極材料的制備及其電化學(xué)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：超級(jí)電容器也叫電化學(xué)電容器作為一種環(huán)境友好和性能良好的儲(chǔ)能設(shè)備在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。石墨烯（GNS）是一種二維納米材料，擁有優(yōu)異的物理、化學(xué)和熱學(xué)性能是電化學(xué)電容器的理想電極材料。石墨烯是單層的石墨材料，在電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中可以充分利用其整個(gè)表面形成雙電層。為了近一步改善石墨烯材料的電化學(xué)性能，科研工作者將目光轉(zhuǎn)向了以石墨烯材料為導(dǎo)電載體的研究，石墨烯基復(fù)合材料作為超級(jí)電容器的電極材料是目前研究的熱點(diǎn)課題。 本文通過(guò)不同方法制備了褶皺石墨烯（GY-GNS）、石墨烯/二氧化錳（GNS/MnO_2）復(fù)合材料和石墨烯/二氧化鈦/二氧化錳（GNS/TiO_2/MnO_2）復(fù)合材料并將其作為超級(jí)電容器的電極材料，通過(guò)XRD、SEM、TEM、Raman等測(cè)試方法對(duì)制備的材料進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，采用循環(huán)伏安法、恒流充放電法、交流阻抗和循環(huán)壽命分析考察了材料的電化學(xué)性能。 通過(guò)劇烈溫度變化產(chǎn)生的冷熱應(yīng)力使石墨烯表面產(chǎn)生褶皺，確定高溫液氮法為制備褶皺石墨烯材料的最優(yōu)工藝。SEM和TEM的微觀形貌表明高溫液氮方法制備的石墨烯材料在石墨烯片層上形成了大量的褶皺和卷曲，由于在高溫含氧氣氛下存在碳的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致在石墨烯表面上存在相當(dāng)多的中孔（15~40nm），這種獨(dú)特的石墨烯片層結(jié)構(gòu)確保了其良好的電容性能。在6mol·L~(-1)KOH電解液中，2mV·s-1掃速下，比容量達(dá)349.1F g-1。在100mV·s-1掃速下經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)壽命測(cè)試其比容量基本沒有衰減。 分別以褶皺石墨烯（GY-GNS）和水合肼還原石墨烯（HY-GNS）為導(dǎo)電碳載體，通過(guò)乙醇滴加高錳酸鉀的方法在兩種石墨烯片層上負(fù)載MnO_2制備GNS/MnO_2復(fù)合材料，并考察載體的微觀結(jié)構(gòu)以及不同的MnO_2負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。以GY-GNS和MnO_2質(zhì)量比2:8制備的GNS/MnO_2復(fù)合材料（GGM2）電化學(xué)性能優(yōu)于以HY-GNS和MnO_2質(zhì)量比2:8制備的GNS/MnO_2復(fù)合材料（HGM2），進(jìn)一步說(shuō)明合成的GNS/MnO_2復(fù)合材料的比容量不僅與MnO_2的負(fù)載量有關(guān)更與導(dǎo)電碳載體的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。隨著褶皺石墨烯上二氧化錳負(fù)載量的增加，GY-GNS/MnO_2復(fù)合材料的比容量呈現(xiàn)先遞增后降低的趨勢(shì)，說(shuō)明MnO_2的負(fù)載量對(duì)制備復(fù)合材料的比容量有很大的影響，并且石墨烯載體與二氧化錳之間存在一定的適宜比。 通過(guò)以TiO_2作為電子的傳輸媒介，采用微波合成的方法制備GNS/TiO_2/MnO_2復(fù)合材料，并分別考察了GNS/TiO_2/MnO_2復(fù)合材料在正常的日光環(huán)境下測(cè)試和在紫外燈持續(xù)照射下測(cè)試復(fù)合材料電化學(xué)性能的差異。二氧化鈦在紫外燈持續(xù)的照射下電子被激發(fā)，同時(shí)產(chǎn)生空穴缺陷，二氧化鈦的激發(fā)產(chǎn)生了電子流，，由于二氧化錳包覆了二氧化鈦，紫外燈的持續(xù)照射使二氧化鈦?zhàn)鳛槊浇榇龠M(jìn)了二氧化錳的電子傳導(dǎo)，提高了二氧化錳的電導(dǎo)率，從而改善了GNS/TiO_2/MnO_2復(fù)合材料的整體性能。GNS/10%TiO_2負(fù)載69.5%MnO_2的材料（GNS/TiO_2/MnO_2）在紫外燈持續(xù)照射后比容量也有了近10%的提升，在50mV·s-1的掃速下GNS/TiO_2/MnO_2復(fù)合材料電極在正常測(cè)試條件下比容量為168.5F·g-1，而在紫外燈的持續(xù)照射下GNS/TiO_2/MnO_2復(fù)合材料電極的比容量達(dá)到了182.1F·g-1。 最后以GNS/MnO_2復(fù)合材料為正極，以石墨烯材料作為負(fù)極組裝成混合超級(jí)電容器，在1mol·L~(-1)Na2SO4電解液中，0~1.8V的電壓區(qū)間測(cè)試其電化學(xué)性能。根據(jù)所用正負(fù)材料的不同，混合型超級(jí)電容器分別標(biāo)記為：(1) GGM2//GY-GNS；(2) HGM2//HY-GNS；研究不同方法制備的石墨烯為原料制備的正負(fù)材料對(duì)混合型電容器電化學(xué)性能的影響。組裝混合型電容器GGM2//GY-GNS和HGM2//HY-GNS，混合電容器GGM2//GY-GNS的能量密度和功率密度都高于混合電容器HGM2//HY-GNS。當(dāng)混合電容器GGM2//GY-GNS的功率密度為164.93W·kg-1時(shí)，它的能量密度為41.23Wh·Kg-1，而當(dāng)其功率密度為8205.86W·kg-1時(shí)，能量密度達(dá)到8.21Wh·Kg-1。
【關(guān)鍵詞】：超級(jí)電容器 褶皺石墨烯 二氧化錳 二氧化鈦 復(fù)合材料
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：O613.71;O646
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 超級(jí)電容器概述11-15
• 1.1.1 超級(jí)電容器的應(yīng)用11-13
• 1.1.2 超級(jí)電容器的性能13-14
• 1.1.3 超級(jí)電容器的原理14-15
• 1.2 超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展15-23
• 1.2.1 雙電層電極材料15-21
• 1.2.2 贗電容電極材料21-23
• 1.3 本論文的選題意義及研究?jī)?nèi)容23-25
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料及研究方法25-33
• 2.1 主要試劑與原料25-26
• 2.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備26-27
• 2.3 實(shí)驗(yàn)制備方法27-29
• 2.3.1 氧化石墨的制備27
• 2.3.2 石墨烯的制備27-28
• 2.3.3 乙醇滴加高錳酸鉀法制備 GNS/MnO_2復(fù)合材料28
• 2.3.4 GNS/TiO_2復(fù)合材料的制備28-29
• 2.3.5 GNS/TiO_2/MnO_2復(fù)合材料的制備29
• 2.3.6 混合型超級(jí)電容器的組裝29
• 2.4 材料的表征方法29-30
• 2.4.1 X-射線粉末衍射（XRD）29
• 2.4.2 掃描電子顯微鏡（SEM）29-30
• 2.4.3 透視電子顯微鏡（TEM）30
• 2.4.4 拉曼光譜（Raman Spectra）30
• 2.4.5 X 射線光電子能譜 (XPS)30
• 2.4.6 比表面積測(cè)試（BET）30
• 2.5 電化學(xué)性能測(cè)試30-32
• 2.5.1 電極制備30-31
• 2.5.2 電化學(xué)測(cè)試31-32
• 2.6 本章小結(jié)32-33
• 第3章 不同工藝制備褶皺石墨烯材料及其電化學(xué)性能研究33-45
• 3.1 引言33-34
• 3.2 結(jié)果與討論34-43
• 3.2.1 褶皺石墨烯材料的形貌分析與結(jié)構(gòu)表征34-39
• 3.2.2 褶皺石墨烯材料的電化學(xué)性能研究39-43
• 3.3 本章小結(jié)43-45
• 第4章 GNS/MnO_2復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究45-53
• 4.1 引言45
• 4.2 結(jié)果與討論45-51
• 4.2.1 GNS/MnO_2復(fù)合材料的形貌分析與結(jié)構(gòu)表征45-48
• 4.2.2 GNS/MnO_2復(fù)合材料的電化學(xué)性能研究48-51
• 4.3 本章小結(jié)51-53
• 第5章 GNS/ TiO_2/MnO_2復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究53-61
• 5.1 引言53
• 5.2 結(jié)果與討論53-60
• 5.2.1 GNS/TiO_2/MnO_2復(fù)合材料的形貌分析與結(jié)構(gòu)表征53-56
• 5.2.2 GNS/TiO_2/MnO_2復(fù)合材料的電化學(xué)性能研究56-60
• 5.3 本章小結(jié)60-61
• 第6章 混合型超級(jí)電容器電化學(xué)性能研究61-66
• 6.1 引言61
• 6.2 混合型電容器兩極質(zhì)量的匹配61
• 6.3 混合型電容器電化學(xué)性能的研究61-65
• 6.3.1 循環(huán)伏安曲線分析61-63
• 6.3.2 恒流充放電曲線分析63-64
• 6.3.3 交流阻抗曲線分析64-65
• 6.3.4 能量密度和功率密度的關(guān)系曲線65
• 6.4 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論66-68
• 參考文獻(xiàn)68-76
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文和取得的科研成果76-77
• 致謝77

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：石墨烯基超級(jí)電容器電極材料的制備及其電化學(xué)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：269906