三維生物質(zhì)-石墨烯水凝膠的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級電容器由于其具有高功率密度、高倍率性能、快速的充放電過程以及使用壽命長在電化學(xué)儲能裝置方面應(yīng)用前景廣闊，受到了科研工作者廣泛關(guān)注。通常增加能量密度，并且不犧牲其功率密度和循環(huán)壽命是研究超級電容器的熱點之一，而電極材料是獲得高性能超級電容器的關(guān)鍵因素之一。贗電容材料能夠發(fā)生氧化還原反應(yīng)提供高的贗電容，但是其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能較差;雙電層電容電極材料則表現(xiàn)出較低的比電容，但其倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性較好。結(jié)合兩種材料的優(yōu)點形成高性能超級電

2、容器復(fù)合電極是目前研究的熱點。生物質(zhì)具有低價、可再生、容易獲取以及環(huán)境友好等優(yōu)點，并且在它們結(jié)構(gòu)中含有大量電活性基團，利用電活性基團的氧化還原反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量的存儲，但是由于生物質(zhì)材料的導(dǎo)電性較差。本文引入生物質(zhì)（木質(zhì)素磺酸鈉和單寧酸）作為新型贗電容材料，引入石墨烯作為導(dǎo)電基質(zhì)與生物質(zhì)形成三維多孔復(fù)合材料，研究它們的電化學(xué)性能。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)利用木質(zhì)素磺酸鈉(Lig)與氧化石墨烯(GO)混合液經(jīng)一步水熱過程制備木質(zhì)

3、素磺酸鈉/石墨烯復(fù)合水凝膠(Lig-GH)。探討了GO與Lig投料比、水熱溫度和水熱時間對Lig/GO體系形成復(fù)合水凝膠以及水凝膠電極電化學(xué)性能的影響，得出最佳成膠條件和最佳電化學(xué)性能水凝膠:投料比GO∶Lig=3∶4、水熱溫度180℃和水熱時間12h形成完整圓柱狀水凝膠;合成復(fù)合水凝膠在1 A/g電流密度下比電容達(dá)到549.5 F/g，在20 A/g超高電流密度下1000次循環(huán)壽命保留率達(dá)83.7％。
　　(2)利用單寧酸(TA

4、)與氧化石墨烯(GO)混合液經(jīng)水熱組裝制備單寧酸/石墨烯(TAG)復(fù)合水凝膠。探討了GO與TA投料比和水熱時間對TAG復(fù)合水凝膠電化學(xué)性能的影響。TAG最佳電化學(xué)性能條件為:投料比GO∶TA=3∶5、水熱溫度180℃和水熱時間12 h;合成復(fù)合水凝膠在1A/g電流密度下比電容達(dá)到373.6 F/g，在20 A/g超高電流密度下1000次循環(huán)壽命保留率達(dá)81.8％。
　　(3) TA/GO體系中分別引入Ni2+、Cu2+和Fe3+三

5、種金屬離子，經(jīng)水熱組裝制備不同形貌的單寧酸/石墨烯復(fù)合水凝膠。探討了TA與金屬離子的摩爾比對單寧酸/石墨烯水凝膠形貌結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。金屬離子對TAG復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有有效地調(diào)控作用，TAGNi形成了均勻清晰的三維多級孔結(jié)構(gòu);TAGCu形成了鱗片狀的規(guī)則堆疊結(jié)構(gòu)，復(fù)合片層通過卷曲和交聯(lián)形成三維多孔結(jié)構(gòu):TAGFe形成了花瓣狀結(jié)構(gòu)，并且每朵花瓣之間連接在一起形成獨特的多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)投料比GO∶TA=3∶5，水熱溫度180℃，水熱時間12