基于超級電容器的石墨烯基納米復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、超級電容器，作為一種新型能源存儲裝置，由于具有高功率密度，快速充放電速率，超長使用壽命以及較寬操作溫度范圍，被廣泛運(yùn)用于電子通訊，航天航空，混合動力汽車等領(lǐng)域。電極材料作為超級電容器電能存儲的主要貢獻(xiàn)者，其選材及改性一直以來成為研究的熱門話題?？蒲腥藛T在不斷探索開發(fā)清潔環(huán)保，價格低廉，性能優(yōu)異，制備方法簡便的電極材料。石墨烯是一種由單層碳原子密集堆積的，具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的二維新型碳材料。由于獨特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的性能，石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來在諸

2、多領(lǐng)域備受關(guān)注。近年來，石墨烯逐漸取代其它碳材料成為許多功能納米材料的載體。將電活性組分負(fù)載到石墨烯表面制備納米復(fù)合物作為超級電容器電極有望進(jìn)一步提高其電化學(xué)性能。本論文旨在制備一系列石墨烯為載體的二元和三元納米復(fù)合物，研究石墨烯納米復(fù)合物的合成機(jī)理及形貌結(jié)構(gòu)，并探索復(fù)合物中石墨烯表面活性組分的負(fù)載量對超級電容器性能的影響。主要研究內(nèi)容如下：
　　1.通過溫和的一鍋溶劑熱法成功制備了鎳鈷層狀雙氫氧物（NiCo-LDH）與石墨烯（R

3、GO）的納米復(fù)合物（NiCo-LDH/RGO）。采用XRD、TEM、FESEM等手段對產(chǎn)物形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)NiCo-LDH納米片均勻的附著在RGO的表面。將NiCo-LDH/RGO納米復(fù)合物作為超級電容器電極進(jìn)行電化學(xué)性能測試。研究結(jié)果表明，當(dāng)電流密度為2.0Ag-1時，比電容最大為1911.1Fg-1。電流密度增加到20 Ag-1時，比電容仍然高達(dá)1469.8Fg-1，這表明復(fù)合材料具有良好的倍率性能。此外，在大電流密度20Ag

4、-1下重復(fù)充放電測試1000次，比電容仍保留有初始值的74％。NiCo-LDH/RGO納米復(fù)合物優(yōu)異的電容性能主要歸因于增強(qiáng)的電子和電解質(zhì)離子傳輸速率以及增大的比表面積。因此，將具有高贗電容性能的雙氫氧化物和高導(dǎo)電性能的石墨烯結(jié)合制備的NiCo-LDH/RGO納米復(fù)合物電極材料在能源存儲和轉(zhuǎn)換裝置中極具應(yīng)用潛力。
　　2.通過簡單的一步回流法獲得了均勻復(fù)合的NiCo2S4/RGO納米復(fù)合物。利用XRD、TEM、FESEM等測試手段

5、對合成產(chǎn)物進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)尺寸僅幾個納米的NiCo2S4粒子均勻地分散在RGO的表面。將NiCo2S4/RGO納米復(fù)合物作為電極材料進(jìn)行電化學(xué)性能的測試。研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料具有優(yōu)異的電容性能。在電流密度1.0Ag-1時，比電容最大為1526Fg-1，在高電流密度20Ag-1下，比電容仍然具有1109Fg-1，表現(xiàn)出較好的倍率性能。此外，在恒電流密度10Ag-1下重復(fù)充放電2000次，比電容可以保留初始電容值的83%，表明該復(fù)合材料具有優(yōu)異

6、的循環(huán)穩(wěn)定性。該物質(zhì)增強(qiáng)的電容性能主要歸因于NiCo2S4納米粒子與RGO之間的協(xié)同效應(yīng)。RGO不僅可以提供導(dǎo)電通路，而且還是一種有效的支撐基底。這種簡便的制備方法以及優(yōu)異的電容性能使得NiCo2S4/RGO納米復(fù)合物有望成為超級電容器的候選電極材料。
　　3.通過兩步法制備了一種空心六邊形鎳鈷硫化物（HHNCS）與還原氧化石墨烯(RGO)的納米復(fù)合物-HHNCS/RGO。通過XRD、TEM、SEM，Raman光譜等對納米復(fù)合物進(jìn)

7、行表征，發(fā)現(xiàn)鎳鈷硫化物為空心六邊形結(jié)構(gòu)，并且均勻地附著在RGO的表面。該納米復(fù)合物作為超級電容器電極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。在電流密度為1Ag-1時比電容為927Fg-1，當(dāng)電流密度增大到20Ag-1時，比電容仍高達(dá)724Fg-1，表明其較好的倍率性能。此外，在電流密度5Ag-1下循環(huán)2000次后比電容保留有初始值的93%，顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。HHNCS/RGO優(yōu)異的電容性能主要是由于RGO的存在不僅增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性，而且作為理想的

8、載體分散HHNCS納米片。HHNCS/RGO納米復(fù)合物優(yōu)異的電化學(xué)性能使其在超級電容器電極材料領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
　　4.通過兩步法合成了一種三元納米復(fù)合物RGO/Ag/NiCo2S4。對合成產(chǎn)物進(jìn)行XRD、TEM、Raman表征，發(fā)現(xiàn)Ag和NiCo2S4為數(shù)納米尺寸的粒子，且均勻地附著在RGO的表面。將三元納米復(fù)合物作為超級電容器電極材料進(jìn)行電化學(xué)性能的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ag含量對其電容性能具有顯著的影響。三元納米復(fù)合物RGO/A

9、g/NiCo2S4呈現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，當(dāng)電流密度為2.0Ag-1時，三元納米復(fù)合物比電容最高為2438Fg-1，電流密度增至20Ag-1時，比電容仍然保留有1410Fg-1，表現(xiàn)出較高的倍率性能。且在電流密度10Ag-1下重復(fù)充放電2000次，比電容保留有初始電容值的85.4%，表明其較好的循環(huán)穩(wěn)定性。這種增強(qiáng)的電容性能歸因于RGO，Ag和NiCo2S4三者之間的協(xié)同效應(yīng)。其中RGO作為一種理想的基底，Ag可以提供導(dǎo)電通路。RGO/