氫氧化物、氧化物-石墨烯復合物作為超級電容器電極材料的制備及性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種新型儲能元件有許多用途。它不但自身能充當普通電源,還能與普通電池或燃料電池合并使用。此外,超級電容器在能量儲存與輸出方面表現(xiàn)出的高功率密度可以彌補二次電池的缺陷?，F(xiàn)階段有關(guān)超級電容器的研究多集中于電極材料。過渡金屬氧化物/氫氧化物由于其高比電容有希望成為超級電容器電極材料。最近,理論比表面積高達2630m2/g的石墨烯也成為超級電容器電極材料的研究熱點,而且石墨烯良好的化學穩(wěn)定性、導電性、導熱性、機械強度和柔韌性都是其

2、成為超級電容器電極材料的有利條件。本文研究了電極材料的制備和電化學性能,主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　1.采用兩步法,即先用Zn(NO3)2和KOH在氧化石墨的分散液中反應(yīng)形成Zn(OH)2/GO前驅(qū)體,隨后在空氣中熱處理獲得ZnO/還原氧化石墨烯復合物。研究發(fā)現(xiàn)還原氧化石墨烯在復合物中的高度分散是樣品獲得良好電化學性能的關(guān)鍵,而ZnO和還原氧化石墨烯的質(zhì)量比決定了還原氧化石墨烯在復合物中的分散或團聚程度。當ZnO和還原氧化石墨

3、烯的質(zhì)量比為93.3:6.7時,還原氧化石墨烯在ZnO中達到均勻吸收。該復合物中,還原氧化石墨烯的質(zhì)量分數(shù)僅為6.7％,在SEM圖片中所觀察到的卻幾乎全是被ZnO顆粒包裹的還原氧化石墨烯片,而且復合物表現(xiàn)出高的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。另外,還原氧化石墨烯片堆疊呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)能使電解質(zhì)離子快速進入并達到還原氧化石墨烯層或電活性位點。電化學測試結(jié)果表明,均勻吸收的還原氧化石墨烯片的比電容相對于純ZnO的比電容(135Fg–1)提高

4、了128%。此外,我們對實驗過程中出現(xiàn)的一些意外現(xiàn)象進行了詳細討論。
　　2.在水溶液中采用簡明的化學方法合成了由還原氧化石墨烯擔載SnO2納米顆粒的復合物。從復合物(SnO2和還原氧化石墨烯的質(zhì)量比為76.1:23.9)的場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和投射電鏡(TEM)圖片可以看出,顆粒尺寸為4-8nm的SnO2均勻地生長在還原氧化石墨烯片上。有趣的是,還原氧化石墨烯的形貌很大程度上受所擔載SnO2顆粒數(shù)量密度的影響。此外,Sn

5、O2作為空間阻隔劑有效地阻止了還原氧化石墨烯片的團聚。另一方面,導電性良好的還原氧化石墨烯構(gòu)成活性材料和集流體之間電子快速傳遞的媒介,并為充放電過程中材料的膨脹/收縮提供了緩沖空間。因此,復合物作為超級電容器電極材料時具有很高的比電容(326F/g)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(1000次充放電測試后,比電容僅衰減了2.8%)。結(jié)果表明復合材料電化學性能的顯著改善是由SnO2和還原氧化石墨烯的兩種電容(贗電容和雙電層電容)之間的正向協(xié)同作用引起的

6、。
　　3.以氯化鈷和硝酸鋁為原料、聚乙二醇為結(jié)構(gòu)導向劑,采用簡明的化學共沉淀法成功制備了摻鋁α-Co(OH)2。利用X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)分別對結(jié)構(gòu)和形貌進行了表征。采用紅外光譜(FT-IR)和熱重(TG)對樣品的組成進行了分析。電化學性能通過循環(huán)伏安和恒電流充放電測試考察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Co2+和Al3+的摩爾比對產(chǎn)物的電化學性能有重要的影響。電化學測試顯示:當Co2+和Al3+的摩爾比為8:2時,摻鋁α-C

7、o(OH)2表現(xiàn)出最高的比電容(1108F/g)。此外,500次充放電循環(huán)后,比電容僅衰減了6.9%。
　　4.采用硝酸鈷和硝酸鋁為原料,以氧化石墨為載體,利用化學共沉淀法制備了具有超電容性能的鋁代α-Co(OH)2/GO復合物。所得樣品用XRD、FESEM和FT-IR進行了表征。循環(huán)伏安和恒電流充放電測試結(jié)果表明鋁代α-Co(OH)2/GO復合物具有優(yōu)越的電化學性能。在6MKOH溶液中,電壓范圍為0–0.5V,電流密度為1A·g