三維結(jié)構(gòu)石墨烯基超級電容器電極材料的制備及性能研究.pdf

1、石墨烯基超級電容器具有大功率密度、高工作效率、長久使用壽命以及輕污染等優(yōu)勢，是取代傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)的理想之選。但石墨烯本身的性質(zhì)以及其雙電層儲能理論極限制約了石墨烯基超級電容器在實際應(yīng)用中的推廣。本文將針對以上問題，通過引入混合式三維結(jié)構(gòu)、石墨烯表面改性以及與法拉第電容電極材料復(fù)合等途徑，研究可有效提高石墨烯基超級電容器電化學(xué)儲能性能的方法。
　　采用“一步法”通過對Pt/Si基底進(jìn)行熱處理使其表面形成三維多孔結(jié)構(gòu)（Pt nanocu

2、p），并采用PECVD法在Pt nanocup表面原位垂直生長石墨烯（VFG），成功制備了三維混合納米結(jié)構(gòu)石墨烯電極材料（VFG-nanocup）。該材料通過提高單位面積內(nèi)石墨烯片的數(shù)量，使其比表面積相對于平面基底材料增大了兩倍。同時，石墨烯片的垂直結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化電荷的傳輸路徑，增加電荷傳導(dǎo)和儲存的有效面積，為電極材料實現(xiàn)高電化學(xué)儲能性能提供了保證。研究表面，VFG-nanocup電極材料比電容值高達(dá)1052μF/cm2，能量密度高達(dá)4.

3、88×10-4 Wh/m2，電化學(xué)儲能性能相比于平面二維結(jié)構(gòu)基底的電極材料提高了近三倍。
　　為改善 VFG材料本身的疏水性，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量比來控制所制備的VFG材料的形貌以及表面狀態(tài)，并研究其與潤濕性之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，制備具有合適尺寸及分布密度的VFG材料有利于保持其潤濕性與電化學(xué)性能的平衡，同時，具有高缺陷度的外層石墨烯層可以有效改善整體 VFG材料的親水性。因此，本文提出采用主動式雙面旋轉(zhuǎn)等離子體刻蝕方法對制得

4、的VFG材料進(jìn)行表面處理，通過增加石墨烯片側(cè)壁外層的缺陷度以及頂端邊緣的平滑度，實現(xiàn) VFG材料潤濕性的改善。經(jīng)雙面旋轉(zhuǎn)等離子體刻蝕后的VFG樣品潤濕角顯著降低，同時比電容值可提高至1000μF/cm2以上。
　　最后，采用電化學(xué)沉積法在VFG表面制備不同形貌結(jié)構(gòu)的MnO2以形成VFG/MnO2復(fù)合電極材料，通過在雙電層電容基礎(chǔ)上引入法拉第電容，可以綜合兩者的優(yōu)勢，獲得高性能的混合式電極材料。研究表明，針狀 VFG/MnO2復(fù)合電