氧化石墨烯的还原及其在超级电容器活性炭电极中的应用研究

摘要

超级电容器是介于传统电容器和锂离子二次电池之间的一种新型的储能器件，具有比锂离子电池高的功率密度、优异的循环性能而在电化学储能领域得到广泛关注。活性炭由于来源广泛、成本低及电化学性能稳定而被认为是商业化前景最大的双电层电容器电极材料，但是活性炭含有SP3杂化的碳原子，导致其电子迁移率比较低，故在超级电容器电极制备过程中需加入乙炔黑等导电剂以增加电极材料的导电性。石墨烯是碳原子以二维平面网状结构排列起来的新型炭材料，具有高电导率和高电子迁移率而在电化学领域得到广泛研究。本文旨在通过在活性炭(AC)中添加石墨烯提高AC电极材料的电化学性能。
　　 为此，本文以氧化石墨为原料，采用NaBH4化学还原和氮气保护下的热还原制备石墨烯，探讨了还原剂含量和还原温度对还原石墨烯的比表面积、结构和形貌的影响;采用干法和湿法将石墨烯添加到AC中，通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗研究了添加石墨烯的AC电极材料的电化学行为。
　　 结构分析表明，采用NaBH4还原制备的石墨烯(NaBH4-rGO)为明显的皱褶形貌，随着还原剂含量的增加NaBH4-rGO片层逐渐变小，NaBH4-rGO的团聚变得明显，形貌也变得不规则，层间距由GO的0.822nm减小为NaBH4-rGO-12的0.358nm;采用热还原制备的石墨烯(TRGO)也为片状形貌，随着热还原温度的升高TRGO片层剥离的程度变大，层间距由GO的0.822nm减小为TRGO-600的0.336nm。
　　 恒流充放电测试表明，在AC中添加石墨烯可以增加电极材料在无机电解液和有机电解液中的质量比电容。其中采用干法添加5wt％ TRGO-500的AC电极，在有机电解液中电流密度为1 mA/cm2时的比电容为134.6F/g，比添加乙炔黑的AC电极的比电容(114.1F/g)提高18％，添加5wt％ NaBH4-rGO-10的AC电极，在有机电解液中的比电容为143.8F/g，比添加相同含量乙炔黑的AC电极的比电容提高26％;采用湿法添加石墨烯的AC电极AC-rGO-2-1，在无机电解液中电流密度为8mA/cm2时的比电容为194.3F/g，比AC的比电容(160.6F/g)提高21％，电流密度增大到20mA/cm2时，AC-rGO-2-1电极的比电容为190.8F/g，比AC的比电容(160.0F/g)提高19.1％。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 超级电容器简介

1．1．1 超级电容器发展简史

1．1．2 超级电容器的分类及特点

1．1．3 超级电容器的应用

1．2 石墨烯制备工艺概述

1．2．1 氧化石墨烯

1．2．2 氧化石墨烯化学还原研究进展

1．3 石墨烯在超级电容器的应用研究进展

1．3．1 纯石墨烯作双电层电容器电极材料研究进展

1．3．2 石墨烯与金属氧化物复合材料在赝电容中的应用

1．3．3 石墨烯与导电高分子聚合物复合材料

1．3．4 石墨烯与炭复合材料在超级电容中应用

1．4 选题依据和主要研究内容

1．4．1 选题依据

1．4．2 主要研究内容

第2章 实验方法与原理

2．1 主要仪器设备与原材料

2．2 实验过程

2．2．1 样品制备

2．2．2 电极制备及电容器组装

2．2．3 材料结构表征

2．2．4 超级电容器性能测试

第3章 还原方法对添加石墨烯的活性炭电极材料电化学性能的影响

3．1 NaBH4-rGO的制备及结构及性能分析

3．1．1 NaBH4-rGO的制备工艺

3．1．2 NaBH4-rGO的XRD分析

3．1．3 NaBH4-rGO的FESEM形貌分析

3．1．4 NaBH4-rGO的比表面积与孔结构分析

3．1．5 NaBH4-rGO在有机体系超级电容器活性炭电极中的应用

3．2 TRGO的制备及结构与性能分析

3．2．1 TRGO的制备工艺

3．2．2 TRGO的XRD分析

3．2．3 TRGO的FESEM形貌分析

3．2．4 TRGO的比表面积与孔结构分析

3．2．5 TRGO在有机体系超级电容器活性炭电极中的应用

3．3 NaBH4-rGO-10和TRGO-500在无机体系超级电容器AC电极中的应用

3．4 本章小结

第4章 石墨烯的添加工艺对活性炭电极材料电化学性能的影响

4．1 添加工艺和石墨烯含量对电极材料结构影响

4．1．1 添加工艺

4．1．2 添加工艺对材料FESEM形貌影响

4．1．3 添加工艺对材料比表面积和孔结构影响

4．1．4 石墨烯含量对AC-rGO-2电极材料FESEM形貌影响

4．1．5 石墨烯含量对AC-rGO-2电极材料比表面积和孔结构影响

4．2 添加石墨烯的AC电极材料无机电解液中的电化学性能研究

4．2．1 添加工艺对添加石墨烯的AC电极材料在无机电解液中电化学性能的影响

4．2．2 石墨烯含量对添加石墨烯的AC电极材料在无机电解液中电化学性能影响

4．3 添加石墨烯的AC电极材料在有机电解液中的电化学性能研究

4．3．1 添加工艺对添加石墨烯的AC电极材料在有机电解液中电化学性能影响

4．3．2 石墨烯含量对添加石墨烯的AC电极材料在有机电解液中电化学性能影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

附录(攻读硕士期间所参与的科研项目)

致谢