基于石墨烯的床垫状碳纸的制备及其在超级电容器中的应用

摘要

超级电容器是高功率储能设备，通过双电层及氧化还原反应在电极上存储电荷。超级电容器作为一种新型储能器件，因其充放电速度快、循环寿命长、环境友好优点而具有广阔的应用前景。高性能电极材料的制备一直是超级电容器的研究核心，研究人员为了提高设备性能而设计的有效方法中包括开发出高效柔性的电极材料。在提高超级电容器能量和功率密度的前提下，寻求一种简单且低成本的方法来制备具有高利用率和经济效益的自支撑电极是非常迫切的。
　　石墨烯独特的结构提供优越的机械性能，电化学性能以及高的比表面积等，使其在柔性电子器件及能源等领域中发挥重大的作用。本文中电极的下层石墨烯纸和上层石墨烯薄膜通过热沉积方法制备，具有良好导电性能的活性夹层通过简单的火焰法合成。在自支撑电极制备的整个过程中没有添加任何的导电剂和粘合剂，最后对床垫状自支撑电极的微观结构和电化学性能进行了分析与讨论。
　　本文的具体研究内容如下:
　　(1)通过手动剥落无导电剂和无粘结剂的自支撑电极，并对其电化学性能进行分析。该电极中夹层的特殊螺旋状纳米碳与无序的纳米碳化物相比具有高导电性、电化学活性和机械鲁棒性，由于自身的高结晶度，大表面积和优越的弹性等。因此，将电极用于超级电容器使用时的面积比电容可达到1.07F cm-2，1000次循环之后的电容保持率为93.02％。基于该电极组装的对称超级电容器，在弯曲120°时的电容保持率为81.22％。
　　(2)通过火焰合成层状堆叠镶嵌螺旋状纳米碳夹层，而且自然晾干后的床垫状碳纸会自脱落形成自支撑。自脱落的自支撑相比手动脱落可以保证电极本身的完整性，减少损伤和破坏。前驱溶液中Na2MoO4试剂加入没有影响螺旋状纳米碳生成，而且螺旋状纳米碳很好的镶嵌在层状结构中。我们将自脱落的自支撑电极用于超级电容器，电化学测试时表现出很好的电化学性能和机械鲁棒性等。该电极的面积比电容高达1.45F cm-2，在1000次循环之后的电容保持率为98.33％，表明电极具有优秀的循环稳定性。基于该电极组装的对称超级电容器，在弯曲120°时的电容保持率高达86.87％，说明该电极有较高的机械稳定性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器概述

1．2．1 超级电容器简介

1．2．2 超级电容器的分类及工作原理

1．2．3 超级电容器的电极材料

1．3 石墨烯

1．3．1 石墨烯的简介

1．3．2 石墨烯的制备方法

1．3．3 石墨烯材料在自支撑电极中研究与应用

1．4 本文的设计思路和主要研究内容

第二章 实验部分及表征

2．1 实验使用的试剂

2．2 实验使用的仪器、设备

2．3 实验流程及生长机理

2．3．1 实验流程

2．3．2 生长机理

2．4 样品测试表征

2．5 超级电容器的装配

2．5．1 三电极体系测试装置

2．5．2 两电极全电容测试装置

2．6 电化学测试方法

第三章 火焰法合成螺旋状纳米碳的床垫状自支撑及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 前驱液的制备

3．2．2 氧化石墨烯(GO)的合成

3．2．3 样品的制备

3．3 样品材料的表征分析

3．4 电极电化学性能测试

3．5 本章小结

第四章 火焰法合成具有螺旋镶嵌结构的床垫状碳纸及其性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 前驱液的制备

4．2．2 样品的制备

4．3 样品材料的表征分析

4．4 电极电化学性能测试

4．5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果