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石墨烯基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究

作　者: 曹海亮
导　师: 刘兆平；潘晶；周旭峰
学　校: 宁波大学
专　业: 物理化学
关键词: 石墨烯超级电容器氮掺杂聚苯胺
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

超级电容器是一种新型储能器件，由于它功率密度高、循环寿命长、使用温度范围宽、应用领域广泛等优点，受到了科学家的广泛关注。但与锂离子电池等二次电池相比，超级电容器的能量密度较低。如何提高超级电容器的能量密度是该领域的核心课题，而电极材料又是决定超级电容器电化学性能的关键因素。石墨烯是一种具有二维结构的新型碳材料，由于它具有巨大的比表面积、超高的电导率以及优异的热稳定性等特点，被认为是超级电容器的理想电极材料。石墨烯的理论比容量为550F/g，而实际容量则要低很多，难以满足提升超级电容器能量密度的需要。因此，对石墨烯改性以提高其比容量很重要。本论文分别从石墨烯氮掺杂、石墨烯造孔活化，以及制备结构新颖的石墨烯/聚苯胺复合电极材料三个方面进行研究，以期得到高性能的石墨烯基超级电容器电极材料。主要研究工作如下：1.研究一种低温制备氮掺杂石墨烯的方法。将碳酸氢铵（NH4HCO3）和氧化石墨烯（GO）放入密封的水热釜内，在150℃条件下GO即可与NH4HCO3分解产生的NH3反应实现石墨烯的氮掺杂。考察研究了GO与NH4HCO3质量比、反应温度及反应时间对石墨烯中氮含量的影响及氮原子结构与超级电容器电化学性能之间的关系。结果表明，增加GO与NH4HCO3质量比和反应时间可以提高氮含量，该法制备的氮掺杂石墨烯含氮量高且分布均匀。电化学性能研究表明，吡啶氮结构对提高氮掺杂石墨烯的比容量非常重要，其含量越高，石墨烯的比容量越高。该法制备的氮掺杂石墨烯电化学性能优异，在0.5A/g的电流密度下，氮掺杂石墨烯的比容量高达170F/g约是热还原石墨烯比容量的4倍，20A/g时比容量仍保持~130F/g，10A/g循环10000次后，比容量保持率高达96.4%。2.以石墨为原料，用溶剂剥离法制备了缺陷少、导电性高的多层石墨烯，随后利用喷雾干燥法将二维石墨烯片构建成了具有三维多孔结构的石墨烯微球。采用原位聚合的方法在石墨烯表面生长聚苯胺纳米线，通过改变苯胺单体浓度制备了一系列聚苯胺/石墨烯微球复合材料，并对其形貌结构及电化学性能进行了研究。结果表明当苯胺单体浓度为0.05M时，聚苯胺与石墨烯微球复合均匀且材料的电化学性能最佳，20mV/s扫速下，比容量高达350F/g，100mV/s循环10000次，比容量保持率高达90.5%，而纯聚苯胺容量保持率仅为32.5%。3.研究了一种简单制备多孔石墨烯的方法。将金属与氧化石墨烯混合，在惰性气氛保护下进行高温处理，然后用稀酸除去金属即可得到多孔石墨烯。考察了处理温度、保温时间及金属种类对纳米孔形成的影响，并对多孔石墨烯的电化学性能进行了研究。结果显示只有当温度高达700℃及以上时，镍才可以蚀刻石墨烯在其表面形成孔。使用金属铁亦可以用来制备多孔石墨烯，而在铜、锌、钛、铝中则难以发生类似的造孔反应。实验制备的多孔石墨烯具有较高的比容量，20mV/s扫速下，其比容量高达107F/g，超过还原石墨烯比容量两倍以上。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
引言  11-13
1 绪论  13-26
  1.1 超级电容器简介  13-18
    1.1.1 超级电容器的结构和分类  13-14
    1.1.2 超级电容器的工作原理  14-16
    1.1.3 超级电容器的性能特点  16-17
    1.1.4 超级电容器的应用领域  17-18
    1.1.5 超级电容器的国内外发展状况  18
  1.2 超级电容器电极材料的研究进展  18-20
    1.2.1 碳材料  18-19
    1.2.2 金属氧化物  19
    1.2.3 导电聚合物  19-20
  1.3 石墨烯在超级电容器领域的应用研究进展  20-24
    1.3.1 石墨烯简介  20-21
    1.3.2 石墨烯基超级电容器的研究进展  21-24
  1.4 本论文的选题思路、研究内容  24-26
    1.4.1 选题思路  24
    1.4.2 研究内容  24-26
2 实验部分  26-30
  2.1 主要试剂  26-27
  2.2 实验仪器设备  27
  2.3 材料的表征  27-28
  2.4 材料的电化学性能测试  28-30
3 氮掺杂石墨烯的制备与电化学性能研究  30-41
  3.1 引言  30
  3.2 实验部分  30-32
    3.2.1 氧化石墨烯及还原石墨烯的制备方法  30-31
    3.2.2 氮掺杂石墨烯的制备方法  31
    3.2.3 电极的制备方法  31-32
  3.3 结果与讨论  32-40
    3.3.1 氮掺杂石墨烯的结构表征  32-37
    3.3.2 氮掺杂石墨烯的电化学性能测试  37-40
  3.4 本章小结  40-41
4 聚苯胺/石墨烯微球复合材料的制备与电化学性能研究  41-51
  4.1 引言  41
  4.2 实验部分  41-42
    4.2.1 石墨烯的制备方法  41-42
    4.2.2 聚苯胺/石墨烯微球复合材料的制备  42
    4.2.3 电极的制备方法  42
  4.3 结果与讨论  42-50
    4.3.1 聚苯胺/石墨烯微球复合材料的结构表征  42-46
    4.3.2 聚苯胺/石墨烯微球复合材料的电化学性能测试  46-50
  4.4 本章小结  50-51
5 多孔石墨烯的制备与电化学性能研究  51-57
  5.1 引言  51
  5.2 实验部分  51-52
    5.2.1 氧化石墨烯及还原石墨烯的制备方法  51
    5.2.2 多孔石墨烯的制备方法  51-52
    5.2.3 电极的制备方法  52
  5.3 结果与讨论  52-56
    5.3.1 多孔石墨烯的结构表征  52-55
    5.3.2 多孔石墨烯的电化学性能测试  55-56
  5.4 本章小结  56-57
6 结论  57-58
参考文献  58-63
在学研究成果  63-64
致谢  64

石墨烯基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究

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