等离子体辅助石墨烯薄膜制备及其超级电容储能性能研究

摘要

超级电容器是一类介于传统电容和电池之间的新型储能元件，有着使用寿命长、充放电速率快等特点，应用领域非常广泛。石墨烯，是一种二维平面碳纳米材料，被认为是最适用于超级电容的碳材料之一，尤其是自支撑式的石墨烯薄膜，作为超级电容的活性电极材料时无需外加粘结剂、导电剂，高性能石墨烯薄膜的研发是目前超级电容活性材料的研究热点之一。 本文通过一套自制的等离子体发生装置稳定生成了辉光放电等离子体，用以还原氧化石墨烯薄膜，高效、温和地制备出了一种石墨烯薄膜。通过控制变量法，确定了最佳还原区域（负辉区与法拉第暗区之间的交界区）和还原时间（～5min）。对反应产物进行的物化性质表征，说明辉光等离子体还原氧化石墨烯薄膜，反应过程温和、高效、节能、环保，反应得到的石墨烯薄膜还原程度高。由于反应过程中会有一些CO、H2O、CO2等气体分子从石墨烯片层中逸出，反应产物——石墨烯薄膜具有较大的层间距和开放式的通道，这一结构形貌特征有利于增大电解液和石墨烯片层的有效接触面积，从而强化石墨烯薄膜材料的储能性能。 将石墨烯薄膜作为电极活性材料装配成两电极超级电容，借助电化学工作站，在水系电解液（6mol/L KOH水溶液）中对其进行电化学性能测试。当扫速为10mV/s时，石墨烯薄膜的比电容为190F/g，且随着扫速的增加，电容特性保持良好；当电流密度为0.5A/g时，比电容达230F/g，电容能量密度高达7.85W h/kg；当电流密度增大至50A/g时，功率密度达到4.66kW/kg。此外，电化学阻抗谱测试表明以石墨烯薄膜作为活性材料的超级电容具有较小的内阻（＜5Ω），且充放电效率较高，电化学性能优异。 辉光等离子体辅助制备得到的石墨烯薄膜还原程度高，反应过程温和、高效，且反应产物——石墨烯薄膜非常适合作为超级电容的活性电极材料，在储能领域有着巨大的应用前景。

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