三維石墨烯支持過渡金屬氧化物的制備及超級電容器性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、超級電容器又稱為化學電容器,是一種電能儲存裝置。這種器件具有快速充放電能力,其功率密度高并且綠色環(huán)保。它通常用于便攜式電子通訊工具中,為其提供電能。此外,電動汽車的制動能量回收系統(tǒng)中也能用到超級電容器,更值得注意的是,將來超級電容器很可能會取代電池。超級電容器的電極材料分為碳材料,過渡金屬氧化物以及導電聚合物等。石墨烯是一種新型碳材料,它的導電性很強,比表面積大,廣泛應用具有于超長使用壽命的雙電層電容器中??墒窃趯嶋H使用過程中,石墨烯片

2、層之間會發(fā)生團聚,導致電化學活性面積降低以及電解液擴散困難,最終引起比電容衰減。為了有效避免石墨烯的團聚,材料學家們開發(fā)了一種具有一定形狀和體積的石墨烯,這種石墨烯稱為三維石墨烯(3DGN)。3DGN內部具有連續(xù)貫通的孔洞,各個孔壁的距離遠遠超出了石墨烯片層之間的引力范圍,能夠有效抑制石墨烯片層的團聚。此外,其典型的立體構型非常適合其他超級電容材料均勻地生長,抑制這些活性材料的團聚。為了進一步增強3DGN的比電容,本實驗將三維石墨烯分別

3、與三氧化二鐵、二氧化錳復合,制備出了3DGN/Fe2O3和3DGN/MnO2復合材料,并利用 X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和透射電鏡(TEM)等測試方法對電極材料的成分、形貌進行了分析,通過恒流充放電、循環(huán)伏安以及電化學阻抗等測試方法分別對3DGN/Fe2O3和3DGN/MnO2的電化學性能進行了分析計算。本文的主要研究內容如下:
  (1)利用原位還原

4、自組裝法制備出三維石墨烯水凝膠,經過冷凍干燥獲得了未經復合的三維石墨烯氣凝膠,這種材料具有典型的空間骨架結構,其內部豐富的孔洞能夠為電解液離子提供順暢的通道,而連續(xù)的石墨烯網絡形貌為其他活性材料提供了廣闊的生長空間,非常適合用作超級電容器電極材料。
 ?。?)利用三維石墨烯水凝膠分別與高鐵酸鉀和高錳酸鉀進行復合,得到了3DGN/Fe2O3以及3DGN/MnO2復合材料。這類三維石墨烯復合材料在使用的過程中不需額外的添加劑(導電劑、

5、粘結劑),避免了雜質對性能的干擾,能夠準確的反映出材料的電化學性能。此外,復合材料內部生長著細小的金屬氧化物晶體,這些晶體沿著三維石墨烯骨架均勻地平鋪在石墨烯片層表面,這種形貌避免了晶體的團聚,能充分發(fā)揮贗電容材料的電容性能。對3DGN/Fe2O3的電化學性能進行研究,發(fā)現當復合時間為120min時,其比電容能達到436.7Fg-1。繼續(xù)進行壽命測試,發(fā)現當循環(huán)測試500次之后其比電容依然能夠保持首次充放電的70.3%。對3DGN/Mn

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