新型多孔碳-多層石墨烯復(fù)合碳材料的制備及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用研究.pdf

1、目前，多孔碳材料的制備及其在儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用已受到廣泛關(guān)注和大量研究。多孔碳材料因具有物理和化學(xué)穩(wěn)定性、多孔性、導(dǎo)電性、價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是雙電層超級(jí)電容器的理想電極材料。然而，目前多孔碳材料的制備技術(shù)一般比較復(fù)雜，本文使用傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，分別以鎳片和泡沫鎳為催化金屬制備由非晶碳和石墨烯組成的復(fù)合碳膜和三維泡沫復(fù)合碳材料，復(fù)合碳材料具有高的導(dǎo)電性、高強(qiáng)度和大的比表面積，特別適用于作為超級(jí)電容器的電極材料。電化學(xué)測(cè)試結(jié)

2、果表明超級(jí)電容器具有較大的比電容、超寬的頻率范圍、超快的速率和高的功率密度。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，使用CVD技術(shù)以鎳片為襯底，以甲烷為碳源成功制備出由非晶碳膜和石墨烯組成的復(fù)合碳膜。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FSEM）、透射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜(Raman)、X射線衍射儀（XRD）對(duì)復(fù)合碳膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明所制備的復(fù)合碳膜中非晶碳膜具有多孔結(jié)構(gòu)，其孔徑尺寸在幾十納米范圍，石墨烯為多層石墨烯。該復(fù)合碳膜

3、制備技術(shù)簡(jiǎn)單，易于控制，所制備的復(fù)合碳膜中的多孔非晶碳膜和多層石墨烯可整體或者分開(kāi)轉(zhuǎn)移至任何基底上。另外，所制備的復(fù)合碳薄膜可直接作為電極應(yīng)用于超級(jí)電容器中，通過(guò)測(cè)試循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗譜等，得到其具有很好的可逆性、穩(wěn)定性和很高的速率，在掃描速率為50mV/s時(shí)有490?F/cm2的較大的面積比電容。
　　然后，使用CVD技術(shù)以泡沫鎳為襯底，以甲烷為碳源氣體成功制備出由非晶碳和石墨烯組成的三維泡沫復(fù)合碳材料。通過(guò)對(duì)復(fù)合碳

4、材料的微結(jié)構(gòu)表征（FSEM、TEM、Raman和XRD等），發(fā)現(xiàn)復(fù)合碳材料的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)生長(zhǎng)溫度進(jìn)行調(diào)控。①在低溫區(qū)（<620℃），所制備的碳材料為三維泡沫多孔碳，但由于多孔碳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較弱，所制備出的泡沫碳材料極易塌陷，最后得到多孔非晶碳薄膜；②在中溫區(qū)（625~700℃），可制備出由多孔非晶碳和石墨烯組成的三維泡沫復(fù)合碳材料，該復(fù)合碳材料主要是三維多孔泡沫碳，而在泡沫多孔碳表面覆蓋不連續(xù)的多層石墨烯片；③在高溫區(qū)（>700℃），可

5、以制備出三維泡沫中空石墨烯，并且在中空石墨烯內(nèi)表面附著有非高結(jié)晶度的碳，整個(gè)復(fù)合碳材料類似于泡沫鎳結(jié)構(gòu)，幾乎無(wú)塌陷。
　　最后，把三維泡沫碳材料直接組裝成對(duì)稱超級(jí)電容器，并利用電化學(xué)工作站研究其電化學(xué)性能。結(jié)果表明：所組裝的電容器都具有很好的電化學(xué)性能，即：超高的速率，較寬的頻率范圍，很好的穩(wěn)定性、可逆性以及較大的比電容。在高溫區(qū)所制備的三維泡沫多孔碳具有較高的面積比電容，其中最大的是在700℃的生長(zhǎng)溫度下制備出的三維泡沫復(fù)合碳材