石墨烯基超級(jí)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(dú)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(qiáng)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(chǔ)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(diǎn)使

2、它可以作為超級(jí)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(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化法制備的石墨烯粉末易團(tuán)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(shí)性能下降的問(wèn)題而制備了高比表面積的石墨烯與活性炭復(fù)合材料;進(jìn)一步針對(duì)在粉末狀材料制備超級(jí)電容器電極材料過(guò)程中需外加導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑從而對(duì)活性材料孔隙進(jìn)行堵塞的問(wèn)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?dú)饨橘|(zhì)的物理吸附技術(shù)對(duì)所制備材料的物性進(jìn)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(cè)試體系）對(duì)材料的電化學(xué)性能進(jìn)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(guò)預(yù)碳化和活化過(guò)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(duì)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(shí)，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(tuán)間氫鍵的形成在高性能超級(jí)電容器石墨烯與活性炭復(fù)合電極材料制備過(guò)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(guò)程，在不同溫度下200 ml密閉的水熱釜中對(duì)氧化石墨紙質(zhì)材料進(jìn)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(duì)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(tuán)和羰基官能團(tuán)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