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二氧化锰及二氧化锰/氧化石墨烯复合电极的超电容性能

作　者: 李英
导　师: 师春生
学　校: 天津大学
专　业: 材料学
关键词: 氧化石墨烯 二氧化锰 超级电容器 电容性能
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


超级电容器功率密度高、循环寿命长、对环境友好绿色无污染，是一种极具潜力的新型储能元件，在电子通讯、重型机械、电动汽车等方面具有广阔的应用前景，是目前储能元件的研究热点。电极材料的性能是影响电容器性能的关键因素，因此超级电容器的研究重点集中在制备高性能电极材料。本论文选择性能良好、价廉易得且环境友好的碳材料和二氧化锰作为电极材料，利用Hummers法制备氧化石墨、化学还原法制备不同氧化程度氧化石墨烯；比较氧化还原沉积沉淀法和水热法制备二氧化锰的性能，并确定采用简便低能耗的氧化还原沉积沉淀法制备二氧化锰与氧化石墨烯的复合物。采用SEM、TEM、XRD、XPS、FTIR分析样品表面形貌、结构和氧化石墨烯表面的含氧官能团；用四电极法测试氧化石墨烯粉末的导电率；通过TG分析复合物中二氧化锰的负载量；利用循环伏安和恒流充放电测试研究样品的电容性能。原始鳞片石墨经氧化后层状结构消失、片层极薄、层间距由0.336nm增大到0.875nm，表面带有大量的-OH、-C=O和-COOH等含氧官能团；经水合肼还原、冷冻干燥得到的氧化石墨烯表面出现大量褶皱和孔洞，片层只有3～10个碳层厚度，石墨化程度降低，表面含氧官能团减少。导电率受还原时间影响，8h得到的样品电导率最高比原始氧化石墨高4个数量级。两种方法制备的二氧化锰均为四方晶相的-MnO2，还原沉积沉淀法样品晶化程度较低，由直径小于10nm的细长纳米针相互无序搭叠；水热法样品晶化程度较高，为直径在20nm左右纳米棒组成的海胆状规整形貌。1000次充放电后前者电容保持在85F/g左右，保持率为90.04%；后者电容先增后减稳定在74.2F/g保持率为112.77%。复合物电容性能主要受氧化石墨烯导电率影响，二氧化锰负载量是次要影响因素。氧化石墨烯表面含氧官能团为二氧化锰提供形核着位点，既保证二氧化锰均匀分散和良好接触，也因二氧化锰的插入促进了氧化石墨烯片层分离。还原8小时氧化石墨烯与二氧化锰1:3复合物表现出较好的电容性能比电容达到124F/g，1000次充放电的电容保持率为78.7%。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-22
  1.1 引言  9
  1.2 超级电容器概述  9-10
  1.3 超级电容器的分类和工作原理  10-13
    1.3.1 超级电容器的分类  10-11
    1.3.2 超级电容器的工作原理  11-13
  1.4 超级电容器电极材料及研究进展  13-18
    1.4.1 碳材料  13-16
    1.4.2 金属氧化物材料  16-17
    1.4.3 导电聚合物  17-18
  1.5 石墨烯/二氧化锰复合电极材料的研究现状  18-20
    1.5.1 二氧化锰电化学储能机理  18
    1.5.2 二氧化锰的晶型  18-20
    1.5.3 石墨烯与二氧化锰复合物研究现状  20
  1.6 本课题的研究意义和主要内容  20-22
第二章 实验材料、仪器及分析测试方法  22-30
  2.1 实验材料和方法  22-25
    2.1.1 实验材料  22-23
    2.1.2 氧化石墨（GO）及不同氧化程度氧化石墨烯（xhRGO）的制备  23-24
    2.1.3 不同氧化程度氧化石墨烯/二氧化锰复合粉末的制备（xhRGOM）  24
    2.1.4 水热法合成海胆状二氧化锰  24-25
  2.2 实验仪器及用途  25-28
    2.2.1 样品制备仪器和设备  25-26
    2.2.2 材料结构、形貌表征及性能分析设备  26-28
  2.3 电化学性能测试  28-30
    2.3.1 工作电极的制备  28
    2.3.2 测试系统的选择  28
    2.3.3 恒流充放电测试及比电容计算  28-29
    2.3.4 循环伏安电化学曲线测试  29-30
第三章 氧化石墨及不同氧化程度石墨烯的制备与表征  30-40
  3.1 氧化石墨及不同氧化程度石墨烯的微观形貌和结构表征  30-34
    3.1.1 SEM 和 TEM 表征  30-32
    3.1.2 XRD 表征  32-34
  3.2 不同氧化程度氧化石墨烯含氧官能团及其对电导率的影响  34-39
    3.2.1 FTIR 表征  34-36
    3.2.2 XPS 表征  36-38
    3.2.3 氧化石墨及不同氧化程度石墨烯的导电性  38-39
  3.3 本章小结  39-40
第四章 氧化还原沉积沉淀法和水热法制备二氧化锰  40-49
  4.1 氧化还原沉积沉淀法和水热法制备二氧化锰的形貌表征  40-42
    4.1.1 SEM 表征  40-41
    4.1.2 TEM 表征  41-42
  4.2 XRD 表征  42-43
  4.3 循环伏安性能  43-44
  4.4 恒流充放电性能  44-48
  4.5 本章小结  48-49
第五章 不同程度氧化石墨烯/二氧化锰复合物的制备及超电容性能  49-64
  5.1 xhRGOM-3 的形貌、结构及电化学性能  49-56
    5.1.1 SEM 和 TEM 表征  49-52
    5.1.2 TG 分析  52
    5.1.3 XRD 表征  52-53
    5.1.4 循环伏安性能  53-54
    5.1.5 恒流充放电性能  54-56
  5.2 三种比例 8hRGOM 复合物的形貌、结构及电化学性能  56-62
    5.2.1 SEM 和 TEM 表征  56-57
    5.2.2 XRD 表征  57-58
    5.2.3 循环伏安性能  58-59
    5.2.4 恒流充放电性能  59-62
  5.3 本章小结  62-64
第六章 全文结论和创新点  64-66
  6.1 全文结论  64-65
  6.2 工作创新点及发展建议  65-66
参考文献  66-74
发表论文和参加科研情况说明  74-75
致谢  75

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