電泳沉積制備氧化石墨烯-石墨纖維及其電化學(xué)性能的研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能裝置，與其他儲(chǔ)能器件相比它具有充電速度快，循環(huán)使用壽命長，能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。
　　超級(jí)電容器電容性能的提高主要在于優(yōu)異的電極材料的開發(fā)，而電極材料的導(dǎo)電性和離子在材料內(nèi)部的擴(kuò)散性是影響電容性能的最主要因素。氧化石墨烯（GO）是一種擁有一些石墨烯特性的多層或單層的片狀碳材料。由于GO片層之間排列的規(guī)整性，所以GO擁有良好的離子擴(kuò)散性，是一種優(yōu)良的電極材料，但是在制備GO的過程

2、中GO分子在范德華力的作用下會(huì)出現(xiàn)不可避免的團(tuán)聚和堆疊，從而導(dǎo)致電化學(xué)性能的降低。石墨纖維具有良好的導(dǎo)電性并且擁有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將其與GO復(fù)合能夠提升材料的能量密度和功率密度，是一種能夠發(fā)揮出復(fù)合材料優(yōu)良電化學(xué)性能的有效方法。
　　電泳沉積是合成微納米材料的一種方法，是指膠體粒子在電場作用下發(fā)生定向移動(dòng)在對(duì)電極表面沉積成膜的過程。在電泳沉積過程中把石墨纖維作為陽極，由于GO表面具有羥基、羧基等豐富的含氧基團(tuán)，在電場的作用下會(huì)向陽極

3、移動(dòng)，從而合成氧化石墨烯/石墨纖維復(fù)合材料。因?yàn)镚O在溶液中電離程度較小，導(dǎo)致其在石墨纖維上負(fù)載率較低，所以我們?cè)贕O上引入Na+以增加其負(fù)載率，提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。
　　本文研究了電泳沉積法制備氧化石墨烯/石墨纖維（GO-GFC）和改性氧化石墨烯/石墨纖維（GONa-GFC）復(fù)合材料的過程，研究了復(fù)合材料的負(fù)載率和沉積條件的關(guān)系，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和拉曼光譜（Raman）對(duì)復(fù)合材料的形貌結(jié)

4、構(gòu)進(jìn)行表征，通過紅外光譜探索電泳沉積過程的反應(yīng)機(jī)理，并通過循環(huán)伏安測試和恒流充放電測試研究較好制備復(fù)合材料的工藝條件以及復(fù)合后材料電化學(xué)性能的變化。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過電泳沉積的方法成功合成了GO-GFC和GONa-GFC復(fù)合材料。通過掃描電子顯微鏡觀察得出當(dāng)GO負(fù)載率較低時(shí)GO是以顆粒狀附著在石墨纖維表面上。隨著負(fù)載率的增加，GO逐漸在石墨纖維表面形成膠狀物質(zhì)，最后形成一層膜覆蓋在石墨纖維的表面。GONa在石墨纖維表面有相似

5、的形貌變化，但其成膜速度更快，負(fù)載率高時(shí)對(duì)石墨纖維的包裹性更強(qiáng)。通過對(duì)負(fù)載率的計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)相同條件下GONa比GO在石墨纖維上的負(fù)載率更高，并且GONa負(fù)載率最大值可達(dá)20.58 wt％。
　　通過對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行電化學(xué)表征，得出當(dāng)電流密度為0.5 A/g時(shí)，電泳條件為電泳時(shí)間2.0 h，GO電泳液濃度為0.35 g/L和電泳電壓為27 V制備出的GO-GFC具有最高的比電容20.46 F/g。而對(duì)于GONa-GFC，當(dāng)電流密度為

6、0.5 A/g時(shí)最高的比電容值為27.32 F/g高于GO-GFC，其沉積條件為電泳時(shí)間2.5 h，GONa電泳液濃度為0.35 g/L和電泳電壓為27 V。由于內(nèi)阻的影響，GONa-GFC和GO-GFC的比電容都是隨著負(fù)載率的增加先升高后降低并且在負(fù)載率分別為8.54%和6.02%時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)電流密度為5 A/g時(shí)，GONa-GFC的比電容是11.90 F/g為0.5 A/g時(shí)電容的47.14%，高于GO-GFC的34.83%，說

7、明GONa-GFC在大電流充放電時(shí)的電化學(xué)性能仍然優(yōu)于GO-GFC。
　　我們還通過GO和GONa在復(fù)合材料中的相對(duì)電容來表征材料的電化學(xué)性能。當(dāng)電流密度為0.5 A/g時(shí)GO在GO-GFC中的相對(duì)電容和GONa在GONa-GFC中的相對(duì)電容分別可達(dá)到427.63 F/g和355.41 F/g，是GO單獨(dú)做電極時(shí)比電容（33.39 F/g）的十幾倍，表明了與石墨纖維的復(fù)合很大程度的提高了GO的電化學(xué)性能。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理后，結(jié)