石墨烯和锰氧化物纳米材料的高原子效率制备及其超级电容性能研究

摘要

尽管关于合成石墨烯、锰氧化物及其复合物作为超级电容器电极材料的研究工作有很多。然而从绿色化学的观点来看，非常有必要寻找一条高原子效率的方法来合成相关电极材料。当前大部分研究工作只是把Hummers法作为合成氧化石墨烯的通用途径，对其工艺的探讨以及高效利用其中的有效组分制备超级电容器电极材料的研究并不深入。对Hummers法制备氧化石墨烯工艺进行探讨，以及利用Hummers法体系中的有效组分高原子效率制备石墨烯、锰氧化物以及石墨烯-锰氧化物纳米复合物，并将其作为超级电容器电极材料，充分体现了绿色化学理念，具有重要的理论意义与实用价值。
　　本文以Hummers法制备氧化石墨烯工艺为研究基础，以所得到的氧化石墨烯/MnSO4悬浮液为前驱物，对其中的锰原子充分利用，以高原子效率的方法分别制备了石墨烯、锰氧化物以及石墨烯-锰氧化物纳米复合物，并研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。主要研究内容如下:
　　采用一种有效的、高原子效率的方法，以Hummers法合成的氧化石墨烯/MnSO4悬浮液为前驱物，通过调控悬浮液中锰离子浓度制备了不同种类的石墨烯-锰氧化物纳米复合物，主要包括石墨烯-Mn3O4纳米粒子复合物和石墨烯-MnO2纳米薄片复合物。先通过水热法还原氧化石墨烯/MnSO4悬浮液可以得到石墨烯/MnSO4悬浮液。然后向其中滴加KOH溶液，当悬浮液中Mn2+浓度较高时，能得到石墨烯-Mn3O4纳米粒子复合物;反之，则得到石墨烯-MnO2纳米薄片复合物。所制备的石墨烯-Mn3O4纳米粒子复合物作为超级电容器电极材料，表现出了较好的电化学性能。并且，我们将实验中的废液回收利用为超级电容器电解液。结果表明，在回收的废液中，所制备的石墨烯-Mn3O4纳米粒子复合物电极材料的比容量能达到221.6 F g-1（电流密度为50 mA g-1），1000次循环后容量保持率为97.1％（电流密度为1Ag-1）。此外，在调控Hummers法合成的氧化石墨烯/MnSO4前驱物工艺过程中，我们观察到原料中KMnO4用量对氧化石墨烯纳米片的刻蚀作用以及对薄片尺寸影响较大。
　　以Hummers法合成的氧化石墨烯/MnSO4悬浮液为前驱物，将氧化石墨烯从其中分离，得到含有锰离子的酸性溶液。向其中滴加KOH溶液得到MnO2超薄纳米片。通过活化还原氧化石墨烯，制备了多孔石墨烯纳米片。分别以具有较大比表面积的MnO2超薄纳米片和多孔石墨烯纳米片为正负极，1 M Na2SO4溶液为电解液组装成非对称超级电容器，测试了其电化学性能。结果表明，MnO2超薄纳米片/多孔石墨烯非对称型电容器最大能量密度为20.2 Wh kg-1，功率密度为1800.0 Wkg-1。经过6000次循环，非对称电容器的比容量的保持率为87.5％。此外，研究发现，在实验过程中通过调节锰盐溶液的浓度也可以制备不同结构形貌的锰氧化物，如MnO2超薄纳米片、Mn3O4纳米粒子等。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器概述

1．2．1 超级电容器的结构

1．2．2 超级电容器的原理及类型

1．3 超级电容器电极材料研究进展

1．3．1 石墨烯基电极材料

1．3．2 锰氧化物基电极材料

1．3．3 石墨烯-锰氧化物复合物电极材料

1．4 本课题的选题依据与研究内容

第二章 石墨烯-锰氧化物纳米复合物的高原子效率合成及电容性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 样品的制备

2．2．3 产物的表征

2．2．4 电化学测试

2．3 结果讨论

2．3．1 实验设计

2．3．2 调控Hummers法工艺参数对GO的影响

2．3．3 rGO-Mn3O4纳米复合物的结构形貌表征

2．3．4 rGO-Mn3O4纳米复合物在常规电解液中的电化学性能研究

2．3．5 rGO-Mn3O4纳米复合物在实验废液中的电化学性能研究

2．3．6 rGO-Mn3O4纳米复合物电化学性能对比和总结

2．3．7 rGO-MnO2纳米复合物的可控合成与电化学性能研究

2．4 本章小结

第三章 MnO2纳米片和多孔石墨烯的高原子效率合成及非对称电容器性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 样品的制备

3．2．3 产物的表征

3．2．4 电化学测试

3．3 结果讨论

3．3．1 实验设计

3．3．2 多孔rGO的结构形貌表征

3．3．3 MnO2超薄纳米片的可控合成与表征

3．3．4 MnO2超薄纳米片的电化学性能研究

3．3．5 非对称超级电容器的电化学性能研究

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文