基于納米碳的三維電極材料構(gòu)筑及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，石油以及化石燃料的過度消耗引起諸多的環(huán)境問題。能源危機(jī)與環(huán)境污染是當(dāng)今人類所面臨和迫切需要去解決的兩大難題。為了解決能源危機(jī)與環(huán)境污染，加快開發(fā)新型綠色環(huán)保能源勢(shì)在必行。許多新型綠色能源（風(fēng)能、氫能、太陽能等）得到幵發(fā)利用。然而，適宜的儲(chǔ)能裝置是新能源大規(guī)模開發(fā)和可再生清潔能源利用的重要基礎(chǔ)。與其他儲(chǔ)能裝置相比，超級(jí)電容器具有高功率密度、快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦途G色

2、儲(chǔ)能裝置。近年來開展超級(jí)電容器相關(guān)研發(fā)工作已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。然而，目前商業(yè)化的超級(jí)電容器能量密度相對(duì)較低，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，開發(fā)具有高能量密度超級(jí)電容器勢(shì)在必行。
　　本論文以氧化石墨烯、面粉為納米碳材料的前驅(qū)體，通過模板法和靜電組裝法構(gòu)建三維電極材料。并采用X射線衍射技術(shù)、投射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜和X射線光電子能譜等表征手段對(duì)所制備電極材料的微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)進(jìn)行表征，采用恒流充放電法、循環(huán)伏

3、安法以及交流阻抗法詳細(xì)研究了電極材料的電化學(xué)性能。此外，將所制備的電極材料合理的匹配正負(fù)電極材料組裝對(duì)稱/非對(duì)稱超級(jí)電容器，進(jìn)而可以提高儲(chǔ)能設(shè)備的能量密度。主要研究工作如下：
　?。?）以泡沫鎳為模板和集流體，通過在其表面沉積氧化石墨烯、經(jīng)低溫?zé)徇€原法將氧化石墨烯還原，從而合成出三維功能化石墨烯（TRGN）。石墨烯與泡沫鎳緊密的結(jié)合以及三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效地減少電極材料的內(nèi)阻，有利于電子和離子的快速傳遞。此外，通過低溫?zé)徇€原

4、氧化石墨制備的石墨烯表面存有大量的含氧官能團(tuán)，含氧官能團(tuán)在 KOH電解液中可以產(chǎn)生贗電容，進(jìn)而可以產(chǎn)生比雙電層高的比容量。在6 mol·L?1 KOH電解液中，當(dāng)掃描速度為2 mV·s?1時(shí)，TRGN材料的比容量可達(dá)442.8 F·g?1。接著以 TRGN為電極材料組裝對(duì)稱超級(jí)電容器進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，其能量密度可達(dá)30.4 Wh·kg?1，電化學(xué)循環(huán)測(cè)試5000次后，比容量上升至初始的118％，說明TRGN材料具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。

5、r>　?。?）以氫氧化鉀為模板和活化劑，以面粉為碳源，通過一步碳化活化法來制備具有三維貫通蜂窩狀多孔碳材料（HPC）。HPC材料具有三維貫通的多孔結(jié)構(gòu)（大孔、中孔和微孔）、適宜的孔徑分布、較大的比表面積（(1313 m2·g?1）和較高含量的雜原子摻雜（N:1.1 at%, O:11.2 at%）。在6 mol·L?1 KOH電解液中，其比容量可以達(dá)到473 F·g?1，電化學(xué)循環(huán)測(cè)試10000次后，其比容量為初始的94.5%，表明HP

6、C電極材料具有較高的比容量和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。
　?。?）通過微波法將納米棒狀二氧化錳沉積到HPC的表面（HPC/MnO2），所形成的三維貫通的孔結(jié)構(gòu)有利于離子在電極材料內(nèi)部快速擴(kuò)散，較小的納米棒有利于縮短離子擴(kuò)散距離。在1 mol·L?1 Na2SO4電解液中，以HPC/MnO2作為電極材料，當(dāng)掃描速度為2 mV·s?1時(shí)，其比容量可達(dá)259 F·g?1。當(dāng)掃描速度為200 mV·s?1時(shí)，比容量仍能保持68%，顯示出良好的倍

7、率性。此外，分別以 HPC/MnO2和HPC作為正-負(fù)電極組裝非對(duì)稱超級(jí)電容器，測(cè)試結(jié)果表明該非對(duì)稱系統(tǒng)的具有較高的能量密度（63.5 Wh·kg?1）和優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性（電化學(xué)循環(huán)測(cè)試5000次后，比容量為初始的93.4%）。
　?。?）在氫氧化鈉刻蝕鈷-鋁水滑石（CoAl-LDH）納米片的過程中，在其層間引入十二烷基硫酸根作為結(jié)構(gòu)的支撐，然后將所得產(chǎn)物與氧化石墨烯通過靜電組裝合成具有層-疊結(jié)構(gòu)（Layer by Layer）

8、的石墨烯/CoAl-LDH復(fù)合材料（GSP-LDH）。由于石墨烯和十二烷基硫酸根起到結(jié)構(gòu)支撐多孔CoAl-LDH的作用、同時(shí)石墨烯納米片具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，上述特點(diǎn)致使復(fù)合材料具有快速的離子/電子傳遞能力以及良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在6 mol·L?1 KOH電解液中，當(dāng)電流密度為1 A·g?1時(shí)，GSP-LDH材料的比容量可達(dá)1043 F·g?1，同時(shí)具有優(yōu)異的倍率性(在20 A·g?1時(shí)，比容量可達(dá)912 F·g?1)。此外，分別以GSP-