喷墨打印用于石墨烯基电极材料的制备及电化学性能研究

摘要

由于工业的快速进步和人口的急速增长，人类对于能源的需要量越来越大，全球能源资源短缺的警钟在不断地敲响。因此，将单一的能量消耗过程转变为能量的可循环利用过程成为了当今科研者们关注的话题。超级电容器作为一种新型的储能设备，凭借其多功能、清洁、高效等特点备受关注。
　　喷墨打印技术又称为微纳米沉积系统，在其工作过程中因为没有加热和剪切应力的产生，故不会使溶剂的特性例如分子活性发生改变，使得本套系统在光电器件、有机电子、材料的多重构筑等领域均得到了一定的应用。而石墨烯作为一种只由单层的碳原子所形成的碳材料，在其表面上负载具备纳米功能的复合材料用于制备超级电容器电极材料则成为了目前所研究的主要方向之一。在本篇论文里，第一步采用经过优化处理后的Hummers法制作出氧化石墨，其次利用纳米沉积系统将氧化石墨烯打印到泡沫镍上，再利用水热法制备金属纳米粒子同时还原氧化石墨烯，得到超级电容器电极材料，最后再对所得材料的结构特征和电化学性能进行研究，主要内容如下:
　　利用喷墨打印的技术制备了还原氧化石墨烯/氢氧化镍(rGO/Ni(OH)2)复合物用于超级电容器的电极材料，且结合层层构筑的思路，探究了不同层数的rGO/Ni(OH)2复合物的形貌特征和电化学性能。由于避免了聚合物粘结剂和导电添加剂的加入，从而不会使材料因覆盖添加剂而形成无法储电的“死电容”。经过循环伏安、恒流充放电和交流阻抗分析复合材料的电化学性能，可知rGO/Ni(OH)2在1A/g电流密度下的比电容为873F/g，当功率密度为700.2W/kg时，能量密度可到达11.67Wh/kg。经过500次的充放电循环测试比容量还可以保持在原来的90％以上，展示出稳定的循环性。
　　鉴于石墨烯的稳定性，在上述的石墨烯/氢氧化镍复合物中加入另一种金属离子，采用类水滑石的双层金属氢氧化物的结构，使用水热法制备了还原氧化石墨烯/镍钴水滑石(rGO/Ni-Co LDH)复合物用作超级电容器的电极材料。rGO/Ni-Co LDH在1A/g的电流密度测试中的比电容经计算为1138F/g，倍率性能良好，在经过200圈的循环充放电测试后经计算其比电容还可以保持在1040F/g，最大的功率密度为702W/kg，能量密度为7.8Wh/kg。
　　聚吡咯作为一种高分子导电聚合物，具有很高的导电率，因此通过低温聚合法首先制备氧化石墨烯/聚吡咯(GO/PPy)，再使用水热法得到还原氧化石墨烯/聚吡咯/镍钴水滑石（rGO/PPy/Ni-Co LDH）三元复合材料用于超级电容器电极材料。经过三电极体系的电化学测试，可知材料在电流密度为1A/g时可达到984F/g的比电容，经过1000圈充放电循环后其电容保留比可达到95％。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2超级电容器的简述

1．2．1超级电容器的特性

1．2．2超级电容器的结构

1．2．3超级电容器的储能机理

1．3电极材料的分类

1．3．1碳材料

1．3．2金属氧化物

1．3．3导电聚合物

1．4喷墨打印技术的简述

1．4．1喷墨打印的特性

1．4．2喷墨打印的工作过程

1．4．3喷墨打印技术的实际应用

1．5三种电极材料在超级电容器中的应用

1．5．1石墨烯

1．5．2氢氧化镍

1．5．3聚吡咯

1．6本论文的选题背景和主要研究内容

1．6．1本论文的选题背景

1．6．2本论文的主要研究内容

第2章实验材料和表征方法

2．1主要实验药品

2．2主要实验仪器

2．3材料表征测试

2．4电化学性能测试

2．5本章小结

第3章基于喷墨打印技术的还原氧化石墨烯与氢氧化镍复合材料的制备及电化性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1泡沫镍的预处理

3．2．2氧化石墨墨水的制备

3．2．3 GO@NF的制备

3．2．4 rGo／Ni(OH)2@NF的制备

3．2．5负极电极的制备和非对称超级电容器的组装

3．3结果讨论

3．3．1材料表征

3．3．2不同层数的rGO／Ni(OH)2@NF的电化学性能研究

3．4本章小结

第4章基于喷墨打印技术的还原氧化石墨烯与镍钴水滑石复合材料的制备及电化学性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1制备GO@NF集流体

4．2．2 rGO／NiCo LDH@NF的制备

4．2．3电极的制备和超级电容器的组装

4．3结果分析

4．3．1材料表征

4．3．2不同镍钴配比的rGO／NiCo LDH@NF的电化学性能研究

4．4本章小结

第5章还原氧化石墨烯／聚吡咯／镍钴水滑石三元复合材料的制备及电化学性能研究

5．1引言

5．2实验部分

5．2．1制备氧化石墨／聚吡咯(GO／PPy)纳米复合材料

5．2．2制备还原氧化石墨烯／聚吡咯／镍钴水滑石(GO／PPy／Ni-Co LDH)三元纳米复合材料

5．2．3制备电极和组装超级电容器

5．3结果分析

5．3．1材料表征

5．3．2不同配比rGO／PPy／Ni-Co LDH三元复合材料的电化学性能测试

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢