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纳米层组装制备石墨烯—锰钴镍纳米复合材料及其电容性质研究

作　者: 何明泽
导　师: 刘宗怀
学　校: 陕西师范大学
专　业: 无机化学
关键词: MnCoNiO2纳米层 FRGO纳米层纳米层组装纳米材料电极电容
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近十年来,电化学电容器由于其能量密度高、功率密度大和循环寿命长,而受到了研究者的高度关注,已经被用作能源材料的辅助缓冲系统(电动汽车电源,混合动力汽车电源,以及定时被迫停止系统)和可再生能源发电系统。锰钴镍氧化物材料电极具有较大的比电容量、环境友好和成本低,成为具有赝电容储能机理材料电极研究的重点候选材料。但是过渡金属氧化物材料电极由于自身比表面积小、导电性差和循环稳定性不好,严重限制了该类材料电极的应用。功能化石墨烯是二维纳米层碳材料,具有优异的力学和电学特性,期待同过渡金属氧化物材料电极复合组装,制备导电性能改善的过渡金属氧化物材料电极。本文主要分为以下三个部分：绪论部分,实验部分和电化学性质研究部分。第一章绪论部分主要介绍了前驱体MnCoNiO2纳米层和FRGO纳米层的制备方法、结构、性能以及应用。除此之外,综述了纳米复合材料的制备,介绍了碳基电极材料和过渡金属氧化物电极材料在超级电容器方面的应用。第二章实验部分主要介绍采用纳米层自组装技术和絮凝技术,通过MnCoNiO2纳米层和FRGO纳米层自组装制备了(PDDA/MnCoNiO2/PDDA/RGO)g薄膜材料和FRGO-MnCoNiO2复合材料。第三章研究了制备的纳米材料电极的电化学性质。研究内容主要为：1、首先制备得到了石墨烯纳米层分散液和锰钴镍氧化物纳米层分散液,以该两类纳米层为组装单元,通过絮凝法制备了FRGO-MnCoNiO2纳米复合材料,通过纳米层自组装技术制备了(PDDA/MnCoNi02/PDDA/RGO)8薄膜材料。通过XRD、SEM、TEM、AFM、紫外吸收光谱分析,研究纳米层组装制备纳米层状复合材料的组装规律,为制备性质优异的纳米层状复合材料电极探索最佳组合条件。2、石墨烯纳米层分散液与带有同种电荷锰钻镍氧化物纳米层分散液之间以PDDA为粘结剂,组装具有可控性多层复合薄膜材料。复合材料层间距为2.63nm,为锰钴镍氧化物单层厚度(1nm)与石墨烯纳米单层厚度(0.34nm), PDDA(0.5nm)在石墨烯纳米片层两面吸附以及层间吸附水(0.28nm)之和。絮凝产物是由带正电荷功能化石墨烯(1.34nm)与带负电荷层状锰钴镍氧化物通过静电相互作用絮凝而成,絮凝复合产物层间距为2.36nm。3、采用制备的FRGO-MnCoNiO2复合纳米材料电极为工作电极,铂电极为对电极,饱和Hg/Hg2Cl2电极为参比电极,在三电级体系中系统研究制备试样电极的电化学性质。通过测试制备材料电极的循环伏安曲线,不同扫描速度下的循环伏安曲线及材料电极循环前后的交流阻抗,研究制备材料电极的电化学性质。制备的FRGO-MnCoNiO2复合纳米材料电极循环伏安曲线为较规则的矩形四边形形状,且具有良好的对称性。说明制备的FRGO-MnCoNiO2复合纳米材料电极的库伦效率高,具有较理想的电容性能。制备的FRGO-MnCoNiO2复合纳米材料电极在20mV s-1扫速下,其电容值大于单一组分材料电极的电容值,且随着扫描速度的增大而电容值趋势不变,表现出了两种主体材料对于组装制备的FRGO-MnCoNiO2复合纳米材料电极的协同效应。石墨烯的加入有效改善了锰钴镍氧化物纳米层的导电性能,使得制备的FRGO-MnCoNiO2复合纳米材料电极具有较大的比电容和良好的循环稳定性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-33
  1.1 前言  9-10
  1.2 纳米层组装技术  10-13
    1.2.1 纳米层组装方法  10-11
    1.2.2 纳米层组装驱动力  11-12
    1.2.3 纳米层状复合材料  12
    1.2.4 纳米层组装制备纳米层状复合材料  12-13
  1.3 石墨烯及其功能化  13-22
    1.3.1 石墨烯结构及性质  13-15
    1.3.2 石墨烯制备技术  15-17
    1.3.3 石墨烯功能化方法  17-19
    1.3.4 石墨烯纳米层分散液的制备  19-20
    1.3.5 石墨烯基纳米复合材料的应用  20-22
  1.4 锰钴镍层状氧化物材料  22-26
    1.4.1 锰钴镍层状氧化物的结构  22-23
    1.4.2 锰钴镍层状氧化物的制备  23-24
    1.4.3 锰钴镍层状氧化物的剥离  24-25
    1.4.4 锰钴镍层状复合材料的应用  25-26
  1.5 电化学电容器  26-29
    1.5.1 电化学电容器原理  26-27
    1.5.2 电化学电容器电极材料  27-28
    1.5.3 纳米层状复合材料在电化学电容器上的应用  28-29
  1.6 选题目的与研究内容  29-33
    1.6.1 选题目的和意义  29-30
    1.6.2 论文的研究内容  30-31
    1.6.3 论文的创新点  31-33
第2章石墨烯-锰钴镍纳米层状复合材料的制备  33-53
  2.1 引言  33-34
  2.2 实验部分  34-37
    2.2.1 试剂与原料  34
    2.2.2 石墨烯纳米层分散液的制备及其功能化  34-35
    2.2.3 锰钴镍纳米层分散液的制备  35-36
    2.2.4 石墨烯-锰钴镍纳米复合材料的纳米层组装制备  36
    2.2.5 分析与表征  36-37
  2.3 结果与讨论  37-51
    2.3.1 锰钴镍纳米层剥离分散液  37-40
    2.3.2 石墨烯纳米层分散液及其功能化  40-44
    2.3.3 石墨烯-锰钴镍纳米层状复合材料的晶相  44-45
    2.3.4 石墨烯-锰钴镍纳米层状复合材料的形貌  45-46
    2.3.5 石墨烯-锰钴镍纳米层状复合材料的紫外可见吸收光谱  46-49
    2.3.6 石墨烯-锰钴镍纳米层状复合材料的组装过程  49-51
  2.4 小结  51-53
第3章石墨烯-锰钴镍纳米层状复合材料的电化学性质  53-63
  3.1 引言  53-54
  3.2 实验部分  54-55
    3.2.1 试剂与原料  54
    3.2.2 粉末电极的制备  54
    3.2.3 分析与表征  54-55
  3.3 结果与讨论  55-61
    3.3.1 石墨烯-锰钴镍纳米层状复合材料的循环伏安曲线  55-59
    3.3.2 石墨烯-锰钴镍纳米复合材料不同扫速下的循环伏安曲线  59-60
    3.3.3 石墨烯-锰钴镍纳米复合材料的电化学阻抗  60-61
  3.4 小结  61-63
第4章结论  63-65
参考文献  65-75
致谢  75-77
攻读硕士学位期间的科研成果  77

纳米层组装制备石墨烯—锰钴镍纳米复合材料及其电容性质研究

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