三維納米結(jié)構(gòu)石墨烯基纖維復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、在材料化學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域，具有分級(jí)結(jié)構(gòu)或復(fù)雜外形的三維納米材料已經(jīng)吸引了越來(lái)越多的關(guān)注度。因?yàn)槿S納米分級(jí)結(jié)構(gòu)材料不僅可以繼承組成單位的優(yōu)越特性，還可以通過(guò)材料的特殊結(jié)構(gòu)獲得額外的優(yōu)異性能。目前已經(jīng)有諸多報(bào)道關(guān)于三維結(jié)構(gòu)納米材料的制備和應(yīng)用前景的研究。在各種不同的應(yīng)用領(lǐng)域，超級(jí)電容器作為一種最有前途的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，引起了人們極大的研究熱情。因?yàn)槠鋼碛懈叩墓β拭芏?，可快速的進(jìn)行充放電，循環(huán)壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器主要通過(guò)以下兩種運(yùn)行

2、機(jī)制存儲(chǔ)能量:(1)雙電層電容(EDLC)，源于電極表面電荷聚集形成的雙電層;(2)贗電容，由于電極材料與電解質(zhì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)。
　　石墨烯作為最先進(jìn)碳材料的代表，擁有較大的比表面積（利于電解質(zhì)離子的轉(zhuǎn)移），電導(dǎo)率高（在電極制備過(guò)程中可省卻添加導(dǎo)電劑），優(yōu)越的機(jī)械性能（利于制備柔性電極）和較寬的電位窗口。盡管如此，但是對(duì)于大部分的能量?jī)?chǔ)存裝置，單純的碳材料產(chǎn)生的雙電層電容不能夠滿足需要。為了解決這一問(wèn)題，我們選擇了石墨烯基

3、金屬?gòu)?fù)合材料來(lái)充分發(fā)揮石墨烯雙電層電容的循環(huán)穩(wěn)定性和金屬材料較高能量密度的贗電容。該復(fù)合材料也可以避免金屬氧化物/金屬氫氧化物電導(dǎo)率低和穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。
　　眾所周知，固相熱解法是目前制備多層石墨烯最常用的方法之一，可在催化劑的條件下在相對(duì)較低的溫度獲得產(chǎn)品，而且工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)規(guī)模較大。我們還沒(méi)有看到簡(jiǎn)單制備三維分級(jí)結(jié)構(gòu)的石墨烯基金屬?gòu)?fù)合材料的相關(guān)報(bào)道。因此本文通過(guò)結(jié)合固相熱解法（金屬納米顆粒與石墨烯包覆層同時(shí)生成），靜電紡絲技術(shù)

4、（制備納米超長(zhǎng)纖維骨架）和水熱法（過(guò)程簡(jiǎn)單，可以通過(guò)控制反應(yīng)溫度、時(shí)間和溶液成分等，調(diào)控次級(jí)結(jié)構(gòu)的自組裝）材料制備技術(shù)，原位合成具有特殊三維結(jié)構(gòu)的石墨烯基金屬納米纖維復(fù)合材料。該材料具有獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)，有利于離子和電子的傳輸，并且外面包覆的石墨烯層可以防止材料在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
　　本論文主要的研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)鎳@石墨烯纖維復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能:
　　以聚丙烯腈(PAN)纖維為前驅(qū)體，利用水

5、熱處理方法制備N(xiāo)i(OH)2/PAN分級(jí)結(jié)構(gòu)纖維。通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn)的掃描電鏡圖片分別探討溫度和時(shí)間的改變對(duì)次級(jí)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的影響，最終根據(jù)其形態(tài)優(yōu)勢(shì)選擇了170℃、15h條件下的水熱產(chǎn)物Ni(OH)2@PAN進(jìn)行后續(xù)處理。浸潤(rùn)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液后，Ni(OH)2@PAN通過(guò)在含有5％氫氣的氬氣中900℃煅燒3min，最終得到仿生榆錢(qián)外形結(jié)構(gòu)的鎳@石墨烯纖維。用該材料制備電極過(guò)程中沒(méi)有加入任何其他的導(dǎo)

6、電劑，通過(guò)循環(huán)伏安法、恒流充放電等電化學(xué)測(cè)試分析其電學(xué)性能。該電極材料在0.5A/g電流密度下比電容可以達(dá)到288.3F/g;并且在1A/g電流密度下循環(huán)5000次后比電容仍能夠保持原始的84％，這個(gè)結(jié)果顯示出該電極材料具有良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。并且通過(guò)循環(huán)伏安曲線深入探討了電極材料的贗電容機(jī)理，表明氫氧化鎳(α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2），氧化氫氧化鎳（β-NiOOH和γ-NiOOH）在循環(huán)過(guò)程中不斷的發(fā)生相轉(zhuǎn)化。

7、　　(2)鎳-鈷@石墨烯纖維復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能:
　　選用不同的前驅(qū)體纖維(PAN纖維、PMA/Ni(AC)2纖維、PMMA纖維）經(jīng)相同的水熱條件進(jìn)行處理，表明對(duì)于不同的前驅(qū)體纖維構(gòu)筑相同成分的次級(jí)結(jié)構(gòu)的條件不同;并通過(guò)不同高溫煅燒時(shí)間處理PAN前驅(qū)體纖維水熱產(chǎn)物，證明了金屬顆粒外包覆的石墨烯層能實(shí)現(xiàn)可控生長(zhǎng)。
　　鈷酸鎳/[PMMA/Ni(AC)2]在后續(xù)經(jīng)氬氣氛圍中700℃煅燒20min制備鎳-鈷@石墨烯纖維復(fù)合