碳基金属氧化物复合材料制备及其电容性能的研究

摘要

随着社会的发展，全球化石能源日益消耗，环境的污染日渐严重，气候的变化逐渐影响人类的生活，迫切需要人类研究洁净的可持续发展的可再生能源。超级电容器作为储能器件，具有高功率密度，快速的充放电速率，优异的循环稳定性以及较宽的工作温度范围。本工作通过优化反应条件，实现碳材料与金属氧化物进行有效纳米复合，并以此为电极材料，研究其电容特性。具体开展了下述三个体系的工作：　　1. 使用改进的Hummer 法制备氧化石墨烯(GO)，通过水热法以及高温退火制备Fe3O4@NG复合物，通过TEM，AFM，XRD，XPS等表征手段表征Fe3O4@NG复合物的形貌和结构，结果显示Fe3O4颗粒大小均匀，并且均匀分散在氮掺杂石墨烯表面， Fe3O4具有较好的晶型。以1.0 mol/L Na2SO4电解质溶液，在电流密度为1 A/g时， Fe3O4@NG复合材料的比电容值可达到244.3F/g。在1000个循环周期以后，Fe3O4@NG复合物电极则由初始比电容 244.3F/g 降低到 207.7F/g，比电容仍保持初始容量的85.02％，该材料具有较好的循环稳定性。通过计算Fe3O4@NG复合材料的能量密度为21.72Wh/kg，功率密度为400.9W/kg。测试结果显示该材料是制作超级电容器的理想材料。　　2. 使用SnCl4?H2O和少壁碳纳米管（FWNT）为初始原料，原位合成SnO2@FWNT复合物，通过表征SnO2@FWNT复合物的形貌和结构。结果表明：SnO2纳米颗粒均匀的分布在碳纳米管表面，并且在与SnO2复合后，FWNT仍然保持了自身原来的特有的结构特征，且为载流电子在 FWNT 提供了自由移动的必要条件。在电流密度为1A/g 时，中性电解质溶液中，SnO2@FWNT 复合材料的比电容值可达到 216.5F/g，并在1000个循环周期以后，SnO2@FWNT由初始比电容216.5 F/g降低到193.8 F/g，比电容仍保持初始容量的89.52％，表现出优异的循环稳定性，通过计算SnO2/FWNT复合物的能量密度为30.63Wh/kg，功率密度为512.79W/kg。　　3. 使用KMnO4，K2PtCl6和单壁碳纳米角（SWCNH）为原料，采用溶剂热法制备 Pt/MnO2@SWCNH 复合材料。使用 TEM，XRD，XPS 等表征手段表征复合材料的形貌和结构。MnO2颗粒均匀的原位负载在石墨烯纳米片上。在电流密度为1 A/g时，1.0 M Na2SO4电解质溶液中，Pt/MnO2@SWCNH复合物的比电容为314.5F/g，1000个循环周期以后，Pt/MnO2@SWCNH 复合物电极则由初始比电容 314.5F/g 降低到 273.28F/g，比电容仍保持初始容量的86.89％，表现出优异的循环稳定性，通过计算Pt/MnO2@SWCNH复合物电极的能量密度为27.96Wh/kg，功率密度为410.78W/kg。结果表明Pt/MnO2@SWCNH复合物是超级电容器的理想材料。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题背景

1.2 超级电容器简介

1.3 碳材料在超级电容器领域研究进展

1.4 金属氧化物在超级电容器领域研究进展

1.5 金属氧化物/碳复合材料的合成方法

1.6 本文的研究目的和意义

2.1 试验材料与仪器

2.2 电极材料与器件设计

2.3 表征样品的形貌与结构

2.4 电化学性能测试

第 3 章 Fe3O4@氮掺杂石墨烯复合材料及其超级电容器的研究

3.1 电极材料的制备

3.2 Fe3O4@氮掺杂石墨烯修饰电极的制备

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第 4 章 SnO2@碳纳米管复合材料及其超级电容器的研究

4.1 二氧化锡@碳纳米管(SnO2@FWNT)复合材料的制备

4.2 二氧化锡@少壁碳纳米管(SnO2@FWNT)修饰电极的制备

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第 5 章 Pt/MnO2@碳纳米角复合材料及其超级电容器的研究

5.1 Pt/MnO2@SWCNH复合材料的制备

5.2 Pt/MnO2@SWCNH修饰电极的制备

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

致谢