氧化鐵-石墨烯復(fù)合材料的制備與超級(jí)電容性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能器件。相比于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能器件，超級(jí)電容器具有環(huán)保、功率密度高、充電快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。電極材料是超級(jí)電容器的一個(gè)重要組成部分，對(duì)超級(jí)電容器的性能起決定性的作用，因此成為研究的焦點(diǎn)。石墨烯具有導(dǎo)電性好、比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)；但是純的石墨烯作為電極材料，由于層層堆疊嚴(yán)重造成其實(shí)際比容量與理論值相差甚遠(yuǎn)。同時(shí)，具有較高理論比電容的Fe2O3及FeOOH電極材料，導(dǎo)電性較差，限制了其應(yīng)用。本文為提高石墨烯的比容

2、量，將其分別與高比容量的第二相 Fe2O3及FeOOH原位復(fù)合，制備氧化鐵/石墨烯復(fù)合材料。通過一系列工藝參數(shù)的優(yōu)化，充分發(fā)揮兩相的協(xié)同作用，制備出了氧化鐵顆粒均勻分散在石墨烯薄片上的復(fù)合電極材料。分別對(duì)不同參數(shù)下合成的電極材料的超級(jí)電容器性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。論文主要研究結(jié)果如下：
　?。?）石墨烯的制備及其電化學(xué)性能研究。采用改進(jìn)的Hummers法制備高品質(zhì)的氧化石墨烯（GO）；將GO水分散體系用維生素C微波輔助還原或者固相直

3、接微波熱膨脹還原得石墨烯；進(jìn)而將石墨烯制成超級(jí)電容器的電極。電化學(xué)性能測(cè)試表明：微波熱膨脹還原所得石墨烯電極具有較好的電化學(xué)性能。微波熱膨脹功率為1100 W、升溫速率為50℃min-1、400℃條件下，微波熱膨脹15 min可得結(jié)構(gòu)蓬松的石墨烯；當(dāng)掃描速率為2 mV s-1時(shí)，石墨烯電極的比電容達(dá)290.1 Fg-1。
　?。?）水熱法制備Fe2O3/rGO復(fù)合納米晶及其電化學(xué)性能研究。以制備的GO分散液為前驅(qū)體，選用二價(jià)鐵鹽為

4、還原劑，原位合成Fe2O3/rGO復(fù)合材料。論文對(duì)鐵源、Fe2O3的質(zhì)量比、水熱溫度、水熱時(shí)間及表面活性劑的種類等因素對(duì)復(fù)合材料的電化學(xué)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，以FeCl2·4H2O為鐵源，在PEG表面活性劑作用下，180℃水熱12 h合成了Fe2O3質(zhì)量比為90％的Fe2O3/rGO復(fù)合納米晶；當(dāng)掃描速率為2 mV s-1時(shí)，測(cè)得Fe2O3/rGO復(fù)合電極的比容量為320.9 F g-1，比純石墨烯電極的比容量提高了1

5、0.6%。
　?。?）微波輔助合成 FeOOH/rGO復(fù)合納米晶及其電化學(xué)性能研究。以 GO分散液為前驅(qū)體，二價(jià)鐵鹽為還原劑，原位合成FeOOH/rGO復(fù)合材料。研究了鐵源、FeOOH的質(zhì)量比、GO溶液的pH值、微波作用時(shí)間、表面活性劑的種類及用量等因素對(duì)所得FeOOH/rGO復(fù)合電極的電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)以FeCl2·4H2O為還原劑、以pH值為8的GO水分散液為前驅(qū)體、PEG單體的濃度為0.01 M、FeOOH質(zhì)量比

6、為90%、微波600 W反應(yīng)5 min時(shí)，反應(yīng)生成10 nm左右的FeOOH顆粒均勻負(fù)載在石墨烯片層結(jié)構(gòu)上的FeOOH/rGO復(fù)合電極材料。優(yōu)化工藝參數(shù)下的FeOOH/rGO復(fù)合電極在掃描速率為2 mV s-1時(shí)，比容量高達(dá)485.6 F g-1；與單純石墨烯電極相比，F(xiàn)eOOH/rGO復(fù)合電極的比電容值提高了67.4%；在恒電流充放電測(cè)試中，當(dāng)充放電電流密度為1 A g-1時(shí)，F(xiàn)eOOH/rGO復(fù)合電極的比電容仍高達(dá)452.8 F g