石墨烯基超級電容器電極材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級電容器也叫電化學(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)的過程中可以充分利用其整個表面形成雙電層。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)合材料作為超級電容器的電極材料是目前研究的熱點課題。
　　本文通過不同

2、方法制備了褶皺石墨烯(GY-GNS)、石墨烯/二氧化錳(GNS/MnO2)復(fù)合材料和石墨烯/二氧化鈦/二氧化錳(GNS/TiO2/MnO2)復(fù)合材料并將其作為超級電容器的電極材料,通過XRD、SEM、TEM、Raman等測試方法對制備的材料進行了微觀結(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)

3、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-1KOH電解液中,2mV·s-1掃速下,比容量達349.1F?g-1。在100mV·s-1掃速下經(jīng)過5000次循環(huán)壽命測試其比容量基本沒有衰減。
　　分別以褶皺石墨烯(GY-GN

4、S)和水合肼還原石墨烯(HY-GNS)為導(dǎo)電碳載體,通過乙醇滴加高錳酸鉀的方法在兩種石墨烯片層上負載MnO2制備GNS/MnO2復(fù)合材料,并考察載體的微觀結(jié)構(gòu)以及不同的MnO2負載量對復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。以GY-GNS和MnO2質(zhì)量比2:8制備的GNS/MnO2復(fù)合材料(GGM2)電化學(xué)性能優(yōu)于以HY-GNS和MnO2質(zhì)量比2:8制備的GNS/MnO2復(fù)合材料(HGM2),進一步說明合成的GNS/MnO2復(fù)合材料的比容量不僅與Mn

5、O2的負載量有關(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載量的增加,GY-GNS/MnO2復(fù)合材料的比容量呈現(xiàn)先遞增后降低的趨勢,說明MnO2的負載量對制備復(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。
　　通過以TiO2作為電子的傳輸媒介,采用微波合成的方法制備GNS/TiO2/MnO2復(fù)合材料,并分別考察了GNS/TiO2/MnO2復(fù)合材料在正常的日光環(huán)境下測試和在紫外燈持續(xù)照

6、射下測試復(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)照射使二氧化鈦作為媒介促進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/TiO2/MnO2復(fù)合材料的整體性能。GNS/10％TiO2負載69.5%MnO2的材料(GNS/TiO2/MnO2)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

7、GNS/TiO2/MnO2復(fù)合材料電極在正常測試條件下比容量為168.5F·g-1,而在紫外燈的持續(xù)照射下GNS/TiO2/MnO2復(fù)合材料電極的比容量達到了182.1F·g-1。
　　最后以GNS/MnO2復(fù)合材料為正極,以石墨烯材料作為負極組裝成混合超級電容器,在1mol·L-1Na2SO4電解液中,0~1.8V的電壓區(qū)間測試其電化學(xué)性能。根據(jù)所用正負材料的不同,混合型超級電容器分別標(biāo)記為:(1)GGM2//GY-GNS;(2

8、)HGM2//HY-GNS;研究不同方法制備的石墨烯為原料制備的正負材料對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,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,能量密度達