石墨烯网络材料可控修饰及其对超级电容器性能的影响

摘要

石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，具有优异的理论电导率、较高比表面积和稳定的化学性质，因此常被用于储能器件的电极材料。然而，采用化学法制备的石墨烯不可避免存在大量的缺陷和含氧官能团；除此之外，高温下石墨烯会由于片层间强烈的π-π共轭促使石墨烯极易发生团聚，以上原因使石墨烯的实际应用性能远低于其理论。基于此，在前人工作研究基础上，本文提出了如下方案以改善石墨烯实际应用中存在的电导率较差和易产生团聚的问题。首先利用惰性金属Pt、Pd纳米颗粒具有优异的催化性能和导电性，通过微量惰性金属与石墨烯进行复合，以缓解石墨烯片层团聚和缺陷导致的较差的电导率，并研究了惰性金属Pt、Pd纳米颗粒对石墨烯基超级电容器电极材料内阻和功率密度的影响；其次将廉价生物质碳材料-碳化豆渣引入石墨烯片层间，嵌于石墨烯片层间的碳化豆渣能有效缓解石墨烯片层重叠，并且碳化豆渣含有的少量N元素能对石墨烯/碳化豆渣复合碳材料电容量提升有所帮助。具体实验内容如下：　　(1) Pt/graphene/碳复合材料的制备及其性能表征。以H2PtCl6?6H2O和氧化石墨烯(graphene oxide)为原料，通过微波法首先获得了Pt/graphene微波产物；基于此微波产物制备Pt/graphene复合材料和Pt/graphene碳复合材料。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼分析仪和电化学工作站等仪器对材料的物相和形貌结构以及电化学性能进行分析。结果表明，在石墨烯片层上复合适量纳米Pt颗粒能够有效降低Pt/graphene复合材料的等效串联电阻和电压降，从而提升超级电容器功率密度。实验表明，优化后的Pt/graphene碳复合材料在电流密度为1 A g-1下的功率密度为7.1 KW Kg-1，功率密度提升了9.5倍。　　(2)Pd/graphene复合材料的制备及其性能表征。使用K2PdCl6水溶液和氧化石墨烯为原料，同样使用微波法制备Pd/graphene微波产物，随后经过水热碳化/高温焙烧处理得到Pd/graphene复合材料。XRD、Raman、傅里叶红外分析、SEM和电化学分析等表征手段对Pd/graphene复合材料结构和性能进行分析。得到如下结论：在电流密度为1 A g-1下，优化后Pd复合材料的功率密度为2.5 KW Kg-1，而未复合Pd纳米颗粒的复合材料的功率密度仅为0.39 KW Kg-1。虽然Pd也有降低电极电阻和提升功率密度的作用，但效果不佳。　　(3)石墨烯/碳化豆渣复合碳材料制备及其表征。将廉价生物质材料豆渣与氧化石墨烯进行充分，再将混合物进行水热碳化/高温焙烧得到了碳化豆渣/石墨烯复合碳材料。碳化豆渣作为填充物嵌入到石墨烯片层间不仅能够防止石墨烯发生团聚；与此同时，碳化豆渣中少量N元素引入到复合碳材料后，会提升超级电容器的电容量。实验结果表明，优化后的复合碳材料在电流密度为1 A g-1下的比电容为201.9 F g-1，远高于纯石墨烯的93Fg-1和纯碳化豆渣的78Fg-1。

目录

声明

1 绪论

1.1超级电容器的发展

1.2 超级电容器储能机理

1.2.1双电层电容

1.2.2 赝电容

1.3 超级电容器的应用

1.4 超级电容器电极材料及其研究现状

1.4.1 碳素材料

1.4.2 过渡金属化合物

1.4.3 导电聚合物

1.5 本文选题研究意义及主要内容

1.5.1 本文选题研究意义

1.5.2 本文主要研究内容

2 实验原料及仪器

2.1实验原料和仪器

2.2 表征仪器说明

2.2.1 XRD分析

2.2.2 扫描电镜表征

2.2.3 XPS表征

2.2.4电化学测试

2.2.5热分析测试

3 Pt/graphene/碳复合材料的制备及其表征

3.1 引言

3.2 Pt/graphene/碳复合材料的制备

3.2.1 Pt/graphene复合材料的制备

3.2.2 Pt/graphene碳复合材料的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 形貌分析

3.3.2 物相结构分析

3.3.3电化学分析

3.4 结论

4 Pd/graphene复合材料的制备及其表征

4.1 引言

4.2 Pd/graphene复合材料的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 形貌分析

4.3.2 物相结构分析

4.3.3电化学分析

4.4 结论

5 石墨烯/碳化豆渣复合碳材料制备及其表征

5.1 引言

5.2石墨烯/碳化豆渣复合碳材料制备

5.3 结果与讨论

5.3.1 形貌分析

5.3.2 物相结构分析

5.3.3电化学分析

5.4结论

结论

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

参考文献