石墨烯/碳纳米管/二氧化锰空心复合微球的制备及其在超级电容器中的应用研究

摘要

超级电容器因功率密度高、循坏寿命长、安全性能好等特性，成为目前最受关注的电能储存器件之一，但因能量密度较低而使其应用受到了一定的限制。影响超级电容器性能的主要因素之一是电极材料，现阶段超级电容器的主要电极材料有碳材料、过渡金属氧化物。碳材料主要指的是石墨烯(GR)和碳纳米管(CNTs)等，因具有导电性好、比表面积大等优点而成为电极材料研究的重点，但是，因GR、CNTs等电极材料在制备过程中存在容易堆叠、团聚等问题，导致比容量不高，从而阻碍了其在超级电容中的应用。过渡金属氧化物二氧化锰(MnO2)具有制备工艺简单、资源丰富、环境友好以及理论比容量高等优点，成为目前最具潜力的金属氧化物电极材料之一，但它也存在导电性相对较弱、循环稳定性较差等问题。因此，如何充分发挥各种电极材料的优势，进而制备出高性能的超级电容器便成为研究的重点。
　　本论文为了有效地克服GR堆叠、团聚等问题，并进一步增大比表面积，分别采用聚苯乙烯(PS)和二氧化硅(SiO2)为模板制备了还原氧化石墨烯(RGO)空心微球和石墨烯(GR)空心微球，并首次提出将其与CNTs、MnO2进行复合，利用各组分间的协同效应，制备出了比容量较大、导电率较高的空心复合微球电极材料。主要研究工作如下:
　　利用乳液聚合法制备了PS微球，并以此为模板，通过溶液混合法制备了聚苯乙烯/氧化石墨烯(PS/GO)复合微球，给出PS∶GO的质量比10∶1、反应温度70℃时为包覆的最佳条件。通过水合肼还原、刻蚀模板后制得RGO空心微球。
　　采用Stober法制备了SiO2微球，并将其作为模板，采用间二苯酚-甲醛作为包覆材料，通过在CVD炉里600℃炭化及800℃石墨化处理，并刻蚀掉模板得到GR空心微球。
　　通过溶液混合法和CVD法分别在RGO空心微球和GR空心微球上复合CNTs，再通过水浴法制备了MnO2，并将其分别与CNTs、MnO2复合形成三元空心复合材料，即RGO/CNTs/MnO2和GR/CNTs/MnO2空心复合微球材料。在1mol/L的Na2SO4电解液中，在5mV/s的扫速下，该复合材料电极的比容量高达647.79F/g，表现出了良好的电化学性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 超级电容器的概述

1．2．1 超级电容器的分类及工作原理

1．2．2 超级电容器电极材料

1．3 本课题的研究意义与内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容

第二章 实验材料与表征方法

2．1 实验材料及仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 表征方法

2．2．1 结构及形貌表征

2．3 电极材料的制备和超级电容器的性能测试

2．3．1 电极材料的制备

2．3．2 超级电容器性能表征

第三章 石墨烯空心微球的制备

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 PS微球为模板制备RGO空心微球

3．2．3 SiO2为模板制备GR空心微球

3．3 结果与表征

3．3．1 GO的形貌与结构表征

3．3．2 PS微球为模板制备的RGO空心微球的表征

3．3．3 SiO2微球为模板制备的GR空心微球的表征

3．3．4 电化学性能表征

3．4 本章小结

第四章 石墨烯／碳纳米管／二氧化锰空心复合微球的制备

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 CNTs的羚基化处理

4．2．3 SiO2为模板制备GR／CNTs／MnO2空心复合微球

4．3 结果与表征

4．3．1 形貌与结构表征

4．3．2 电化学性能表征

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果