超級電容器石墨烯基復合材料的制備及電化學性能研究.pdf

1、石墨烯是一種具有單個碳原子厚度的二維碳材料,由于這種碳材料具有良好的導電性和大的比表面積,而被認為是一種理想的雙電層電容材料。但因其比電容低等不足限制了實際應用。贗電容材料雖然具有高的比電容,但又因其導電性差而降低了它們在電化學反應過程中的活性物質(zhì)利用率、倍率性能和循環(huán)性能。本研究者利用石墨烯特殊的物理和化學性質(zhì),將贗電容材料作為第二相引入到石墨烯中,以獲取的復合材料可以具有突出的電化學性能。結(jié)合Hummer法與熱還原制備了石墨烯,并以

2、石墨烯為載體,制備了MnO2、MnOOH、Co和Co3O4與石墨烯的超級電容器復合電極材料,研究了它們的電化學性能。
　　在石墨烯的合成方法研究中,發(fā)現(xiàn)當石墨粉具有規(guī)則的薄片狀結(jié)構(gòu)時,制備的石墨烯也具有相對小而且規(guī)則的石墨烯簇。在石墨烯的電化學性能研究中發(fā)現(xiàn),在Na2SO4和KOH電解液中,石墨烯表現(xiàn)出不同的比電容。在Na2SO4電解液中,石墨烯在循環(huán)伏安掃描速度為5mVs-1下的比電容為56.3Fg-1;掃描速度為500mVs-

3、1時,石墨烯的比電容降低到18.1Fg-1。在KOH電解液中,石墨烯在循環(huán)伏安掃描速度為5mVs-1下的比電容為146.0Fg-1;掃描速度增加到500mVs-1時,石墨烯的比電容降低到95.8Fg-1。石墨烯在KOH電解液中表現(xiàn)出了更高的比電容。此外,以石墨烯作為電極活性材料的對稱電容器的比電容不會隨著工作電壓區(qū)間的變化而變化,說明石墨烯對稱電容器在Na2SO4和KOH電解液中具有穩(wěn)定的雙電層電容性質(zhì)。利用水熱反應移除石墨烯中的羰基,

4、通過紅外和電化學阻抗分析發(fā)現(xiàn),羰基的減少會破壞石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)和降低石墨烯的親水性,使石墨烯的比電容發(fā)生降低。
　　在石墨烯基復合材料的研究中,采用KMnO4與石墨烯之間的氧化還原反應,在石墨烯的表面生成了MnO2顆粒,并通過水熱反應將這種MnO2轉(zhuǎn)化成為了一維的MnOOH納米絲。MnO2/石墨烯和MnOOH/石墨烯復合材料的電化學性能研究表明,在Na2SO4電解液中MnO2可以顯著的提高超級電容電極材料的比電容;在制備MnOOH

5、/石墨烯復合材料的水熱反應過程中加入氨水可以明顯的降低MnOOH/石墨烯復合材料的歐姆阻抗和電化學阻抗,有利于提高這種復合材料的比電容。
　　通過沉淀法將Co(OH)2納米片嵌入到石墨烯的交錯片層結(jié)構(gòu)中,并采用熱處理方法將石墨烯中的Co(OH)2納米片分解成為Co3O4納米片,制備了納米片Co3O4/石墨烯復合材料。另外,采用水熱反應將石墨烯中的Co(OH)2納米片轉(zhuǎn)化成為了均勻分布在石墨烯表面的金屬Co顆粒,制備了金屬Co/石墨

6、烯復合材料。電化學性能研究表明,在充放電電流密度為0.2Ag-1下,Co3O4納米片和納米片Co3O4/石墨烯復合材料的比電容分別為203Fg-1和338Fg-1;在充放電電流密度為1.5Ag-1下,金屬Co和金屬Co/石墨烯復合材料的比電容分別為460Fg-1和1373Fg-1。另外,金屬Co/石墨烯復合材料的電化學反應電極電位為-0.70V和-1.07V(vs.Hg/HgO),因此該復合材料適合作為不對稱電容器的負極材料。以金屬Co