碳化细菌纤维素/石墨烯复合材料的制备及其超电容性能研究

摘要

超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、循环寿命长及环境友好等特点，已被广泛应用于信息、航空、航天以及电动汽车等领域。作为超级电容器的核心元件，电极材料的选择直接影响着电容器的工作性能。碳材料因导电性能好、比面积大、稳定性高、价格低廉等特点，是超级电容器最早使用的电极材料，也是工业化最成功的电极材料之一。本课题以传统静置培养法得到的细菌纤维素为基体，采用膜液界面培养法制备了细菌纤维素/石墨烯复合材料（m-BC/GE），并通过碳化处理得到碳化细菌纤维素/石墨烯（C-m-BC/GE）复合材料，研究了其电化学性能。
　　本课题采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、激光拉曼（Raman）、X射线衍射（XRD）和原位双向拉伸试验等分析了m-BC/GE的微观形貌、结构以及力学性能等。结果表明，膜液界面培养法可制备厚度可控的m-BC/GE复合膜，且GE纳米片分布均匀于m-BC/GE的三维网状结构中；随着GE纳米片含量的增加，m-BC/GE的抗拉强度和杨氏模量逐渐增加，这是因为 GE纳米片的均匀分布及其与BC纤维的协同作用提高了m-BC/GE的力学性能。当GE纳米片含量约0.19ωt％时，测得其抗拉强度和杨氏模量分别为1.7 MPa和33.4 MPa，比纯BC的抗拉强度和杨氏模量分别高70%和230.7%。
　　本实验采用 SEM、TEM、XRD、XPS、压缩试验以及电化学测试等分析C-m-BC/GE的微观形貌、结构和电化学性能等。结果表明，C-m-BC/GE具有更精细的三维网状结构以及超轻特点，且C-m-BC/GE具有良好的柔韧性和理想的压缩恢复性能，另外，分散均匀的GE纳米片增大了C-m-BC/GE的比表面积。电化学测试结果表明，C-m-BC/GE3的电化学性能最优，其在扫描速率为5 mV s-1时，比容量为238.1Fg-1；在电流密度为1 Ag-1时，比容量为224.5 Fg-1，功率密度为478.8 Wkg-1，能量密度为19.9 W hkg-1；测得其在扫描速率为50 mVs-1时，经5000次循环后比容量仍剩余95.6%，表现出良好的循环稳定性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.1.1 超级电容器的分类及工作原理

1.1.2 超级电容器的电极材料

1.3 细菌纤维素

1.2.1 细菌纤维素的结构

1.2.2 细菌纤维素的性质

1.2.3 细菌纤维素的合成

1.2.4 细菌纤维素基复合材料的合成

1.2.5 细菌纤维素的应用

1.2.6 碳化细菌纤维素在超电容方面的应用

1.4 课题研究背景、意义及内容

1.3.1 课题研究背景及意义

1.3.2 课题研究内容

1.3.3 课题创新点

第2章 膜液界面培养法制备细菌纤维素/石墨烯复合材料

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 m-BC/GE复合材料的制备

2.3.2 m-BC/GE复合材料的微观形貌

2.3.3 m-BC/GE复合材料的结晶结构

2.3.4 m-BC/GE复合材料的化学结构

2.3.5 m-BC/GE复合材料的热性能

2.3.6 m-BC/GE复合材料的力学性能

2.4 本章小结

第3章 碳化细菌纤维素/石墨烯的超电容性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验方法

3.2.3 电化学性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 C-m-BC/GE复合材料的微观形貌

3.3.2 C-m-BC/GE复合材料的结晶结构

3.3.3 C-m-BC/GE复合材料的化学结构

3.3.4 C-m-BC/GE复合材料的孔隙结构

3.3.5 C-m-BC/GE复合材料的润湿性能

3.3.6 C-m-BC/GE复合材料的力学性能

3.3.7 C-m-BC/GE复合材料的电化学性能

3.4 本章小结

第4章 全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢