石墨烯基电极材料的制备与超级电容器性能研究

【摘要】摘要：超级电容器,又称电化学电容器,因其功率密度大,使用温度范围宽(-20℃～60℃),无污染、长寿命等特性成为一种新型储能器件。超级电容器的储能原理包括双电层电容和法拉第电容(赝电容),前者通过具有高比表面的碳材料来实现,而后者利用电活性材料产生的赝电容储能。近年来,石墨烯及其复合材料被认为是最有前途的能源材料,因为石墨烯材料具有高电导率,高的比表面积,高的力学强度,非凡的化学溶剂耐受性,透明和宽的电化学窗口等优点,可以灵活的组装和化学修饰以达到功能设计的目的,特别适合作为超级电容器的电极材料。因此,石墨烯基电极材料的研究是超级电容器的主要研究方向之一。本论文研究了石墨烯基电极材料的硫酸脱水还原法、电泳沉积组装法和水热法的制备过程,同时将其作为超级电容器电极材料,系统研究了其电容性能。具体研究内容如下：利用浓硫酸的脱水性能,在不同温度下处理氧化石墨烯得到浓硫酸脱水还原石墨烯材料(Dehydratedreductiongrapheneoxide,rGO-D)。研究了不同处理温度对材料结构和电容性能的影响。结果表明,浓硫酸能在较低的温度下快速、有效地脱除氧化石墨烯表面的大部分含氧官能团,对含氧官能团的脱除效率依次为COOH>C-O/C-O-C>C=O。经过开环处理后,对所有的官能团均有较好的脱除效果。制备的rGO-D作为超级电容器电极材料,随着温度增加,其比电容呈现出先增加后减小的趋势,在70℃,30min处理后得到石墨烯电极材料的比电容最大(281.8Fg-1)。结合使用了电泳沉积和电还原法,制备了自支撑的柔性石墨烯薄膜材料。首先通过电泳沉积在石墨基底上得到柔软、透明的氧化石墨烯薄膜；然后经电化学还原得到自支撑的石墨烯薄膜；研究了电泳沉积条件和电容性能之间的关系。采用XRD、SEM、FT-IR、光学显微镜和对样品进行材料结构、形貌表征。结果表明,采用电泳沉积和电还原技术结合,可以得到导电性好、自支撑结构的石墨烯薄膜电极材料；电容测试结果表明,电泳沉积条件为30V、10min时制备的石墨烯材料具有最好的电容性能,比电容为254F.g-1,经1000次循环伏安测试后,电容保持率为97.02%。以氧化石墨烯为前驱物,氯化铁作为铁源,磺基水杨酸配位离子作为缓释剂,在碱性体系下水热法一步合成了石墨烯/Fe3O4复合材料。采用XMD、TEM、FT-IR、XPS对样品进行材料结构、形貌表征。研究了铁源离子浓度对石墨烯/Fe3O4电容性能的影响。结果表明：制备的石墨烯/Fe3O4复合材料是由粒径为5-9nm的Fe3O4纳米级单晶分布在石墨烯表面组成；电容测试表明,石墨烯/Fe3O4复合电极材料的电容性能(220.0F.g-1)优于单独的石墨烯(108.9F.g-1)和Fe3O4(55.5F.g-1);石墨烯/Fe3O4的循环寿命得到了很好的提升,经1000次循环伏安测试后,电容保持率为93.1%。
【作者】窦元运；
【导师】罗民；
【作者基本信息】宁夏大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】超级电容器；石墨烯；浓硫酸脱水性；电泳沉积法；水热法；

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