基于納米碳的三維電極材料構(gòu)筑及其在超級電容器中的應用.pdf

1、隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，石油以及化石燃料的過度消耗引起諸多的環(huán)境問題。能源危機與環(huán)境污染是當今人類所面臨和迫切需要去解決的兩大難題。為了解決能源危機與環(huán)境污染，加快開發(fā)新型綠色環(huán)保能源勢在必行。許多新型綠色能源（風能、氫能、太陽能等）得到幵發(fā)利用。然而，適宜的儲能裝置是新能源大規(guī)模開發(fā)和可再生清潔能源利用的重要基礎。與其他儲能裝置相比，超級電容器具有高功率密度、快速充放電、循環(huán)壽命長、維護成本低和環(huán)境友好等優(yōu)點，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦途G色

2、儲能裝置。近年來開展超級電容器相關(guān)研發(fā)工作已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。然而，目前商業(yè)化的超級電容器能量密度相對較低，難以滿足實際應用的需求。因此，開發(fā)具有高能量密度超級電容器勢在必行。
　　本論文以氧化石墨烯、面粉為納米碳材料的前驅(qū)體，通過模板法和靜電組裝法構(gòu)建三維電極材料。并采用X射線衍射技術(shù)、投射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜和X射線光電子能譜等表征手段對所制備電極材料的微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)進行表征，采用恒流充放電法、循環(huán)伏

3、安法以及交流阻抗法詳細研究了電極材料的電化學性能。此外，將所制備的電極材料合理的匹配正負電極材料組裝對稱/非對稱超級電容器，進而可以提高儲能設備的能量密度。主要研究工作如下：
　?。?）以泡沫鎳為模板和集流體，通過在其表面沉積氧化石墨烯、經(jīng)低溫熱還原法將氧化石墨烯還原，從而合成出三維功能化石墨烯（TRGN）。石墨烯與泡沫鎳緊密的結(jié)合以及三維石墨烯網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以有效地減少電極材料的內(nèi)阻，有利于電子和離子的快速傳遞。此外，通過低溫熱還原

4、氧化石墨制備的石墨烯表面存有大量的含氧官能團，含氧官能團在 KOH電解液中可以產(chǎn)生贗電容，進而可以產(chǎn)生比雙電層高的比容量。在6 mol·L?1 KOH電解液中，當掃描速度為2 mV·s?1時，TRGN材料的比容量可達442.8 F·g?1。接著以 TRGN為電極材料組裝對稱超級電容器進行電化學測試，其能量密度可達30.4 Wh·kg?1，電化學循環(huán)測試5000次后，比容量上升至初始的118％，說明TRGN材料具有優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。

5、r>　　（2）以氫氧化鉀為模板和活化劑，以面粉為碳源，通過一步碳化活化法來制備具有三維貫通蜂窩狀多孔碳材料（HPC）。HPC材料具有三維貫通的多孔結(jié)構(gòu)（大孔、中孔和微孔）、適宜的孔徑分布、較大的比表面積（(1313 m2·g?1）和較高含量的雜原子摻雜（N:1.1 at%, O:11.2 at%）。在6 mol·L?1 KOH電解液中，其比容量可以達到473 F·g?1，電化學循環(huán)測試10000次后，其比容量為初始的94.5%，表明HP

6、C電極材料具有較高的比容量和良好的電化學穩(wěn)定性。
　?。?）通過微波法將納米棒狀二氧化錳沉積到HPC的表面（HPC/MnO2），所形成的三維貫通的孔結(jié)構(gòu)有利于離子在電極材料內(nèi)部快速擴散，較小的納米棒有利于縮短離子擴散距離。在1 mol·L?1 Na2SO4電解液中，以HPC/MnO2作為電極材料，當掃描速度為2 mV·s?1時，其比容量可達259 F·g?1。當掃描速度為200 mV·s?1時，比容量仍能保持68%，顯示出良好的倍

7、率性。此外，分別以 HPC/MnO2和HPC作為正-負電極組裝非對稱超級電容器，測試結(jié)果表明該非對稱系統(tǒng)的具有較高的能量密度（63.5 Wh·kg?1）和優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性（電化學循環(huán)測試5000次后，比容量為初始的93.4%）。
　?。?）在氫氧化鈉刻蝕鈷-鋁水滑石（CoAl-LDH）納米片的過程中，在其層間引入十二烷基硫酸根作為結(jié)構(gòu)的支撐，然后將所得產(chǎn)物與氧化石墨烯通過靜電組裝合成具有層-疊結(jié)構(gòu)（Layer by Layer）

8、的石墨烯/CoAl-LDH復合材料（GSP-LDH）。由于石墨烯和十二烷基硫酸根起到結(jié)構(gòu)支撐多孔CoAl-LDH的作用、同時石墨烯納米片具有優(yōu)異的導電性，上述特點致使復合材料具有快速的離子/電子傳遞能力以及良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在6 mol·L?1 KOH電解液中，當電流密度為1 A·g?1時，GSP-LDH材料的比容量可達1043 F·g?1，同時具有優(yōu)異的倍率性(在20 A·g?1時，比容量可達912 F·g?1)。此外，分別以GSP-