石墨烯基超級電容器電極材料的制備與電化學(xué)性能的研究.pdf

1、石墨烯是由單層大量sp2雜化碳原子緊密排列形成的、具有二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的碳素材料。其獨特的結(jié)構(gòu)使其具有高理論比表面積(2630 m2 g-1)、超快電子遷移率(室溫下20000 cm2 V-1 s-1)、高楊氏模量(1060 GPa)、高強度(130 GPa)和高熱導(dǎo)率(3000 W m-1K-1)等優(yōu)良的物理性質(zhì)。石墨烯在儲能、催化、傳感器以及功能性復(fù)合材料等領(lǐng)域有較廣闊的應(yīng)用前景，尤其是高理論比表面積與室溫下超快電子遷移率的特點使

2、它可以作為超級電容器的電極材料而受到研究人員的廣泛關(guān)注。本文首先針對化學(xué)轉(zhuǎn)化法制備的石墨烯粉末易團聚而使其比表面積遠(yuǎn)小于理論值，使其作為超電容電極材料時性能下降的問題而制備了高比表面積的石墨烯與活性炭復(fù)合材料;進一步針對在粉末狀材料制備超級電容器電極材料過程中需外加導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑從而對活性材料孔隙進行堵塞的問題，制備了石墨烯紙質(zhì)整體性材料。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman Spectra)、X射線光能譜

3、(XPS)以及低溫氮氣介質(zhì)的物理吸附技術(shù)對所制備材料的物性進行了研究;在6 mol L-1KOH電解液中，采用循環(huán)伏安、恒流充放電以及交流阻抗法（兩電極或三電極測試體系）對材料的電化學(xué)性能進行了研究。
　　論文的主要內(nèi)容如下:
　　1)按不同比例將葡萄糖溶入氧化石墨烯水溶液中，然后將溶劑蒸發(fā)得到前驅(qū)體材料，再經(jīng)過預(yù)碳化和活化過程制備出石墨烯與活性炭復(fù)合材料。在此基礎(chǔ)上，探討了氧化石墨在前軀體中的含量對復(fù)合材料電化學(xué)電容特性的

4、影響。結(jié)果表明:當(dāng)氧化石墨在前驅(qū)體中占3 wt％時，該復(fù)合材料不僅表現(xiàn)出優(yōu)于活性炭與活化石墨烯的質(zhì)量比電容值(最高達(dá)334 F g-1)，而且較之于活性炭具有更好倍率特性。石墨烯/活性炭復(fù)合電極在1000mAg-1的電流密度下循環(huán)1000次，仍能保持93.5％的比容量。葡萄糖與氧化石墨烯中含氧官能團間氫鍵的形成在高性能超級電容器石墨烯與活性炭復(fù)合電極材料制備過程中發(fā)揮了重要作用。
　　2)以未經(jīng)任何分散處理的氧化石墨溶膠為原料，于

5、60℃下利用氣液界面自組裝原理干燥制備氧化石墨紙質(zhì)材料(直徑為10 cm)，然后利用水合肼溶液的相轉(zhuǎn)移過程，在不同溫度下200 ml密閉的水熱釜中對氧化石墨紙質(zhì)材料進行還原而獲得石墨烯紙質(zhì)整體性材料。在此基礎(chǔ)上考察了還原前后電化學(xué)電容變化的原因以及還原溫度對石墨烯紙電化學(xué)電容特性的影響。結(jié)果表明:肼蒸氣還原引入具有贗電容活性的氮官能團和羰基官能團含量的提升改善了材料的電容特性;隨著還原溫度的升高，質(zhì)量比電容先升高再降低;當(dāng)還原溫度為15