基于硅氧烯及其复合材料的电化学超级电容器电极研究

摘要

设计和开发可再生能源转换和存储装置是一种解决目前化石燃料枯竭和环境污染问题的有效方式。电化学超级电容器被视为是一种先进的储能元件，因其具有高功率密度和优异的循环稳定性等特点，填补了普通电容器和电池之间的空白，但能量密度低的问题仍制约着其发展。电极材料在很大程度上可以决定储能器件的性能。因此，许多研究都集中在开发具有独特结构和功能特性的新型电极材料，以获得高性能的电化学超级电容器储能器件。二维(2D)材料由于具有优异的电学、力学和光学性能以及原子级厚度和高比表面积，在光、电、电子器件等诸多领域应用潜力巨大，具有重要的研究价值。在化学反应过程中，2D材料独特的层状结构可以提供纳米级的反应空间以及大比表面积，而且在一定条件下获得的二维纳米片表面具有大量暴露的表面原子或官能团，有利于提供更多的活性位点。这些特性使得2D层状纳米材料在超级电容器方面的应用前景广阔。　　本文主要以新型二维材料为研究对象，设计、合成了硅氧烯和硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶(SGH)纳米电极材料，并探究了其物理化学性质和超级电容器性能。具体工作如下：　　(1)通过拓扑转化法以层状结构硅化钙为前驱体制备新型二维层状结构材料硅氧烯，并对其超电容性能进行探究。首先，利用浓盐酸对层状结构硅化钙进行刻蚀、剥离以实现其拓扑转化，最终得到硅氧烯二维层状结构材料。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、全自动微孔物理吸附分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、拉曼光谱仪及X射线光电子能谱仪研究了其形貌、结构和物理化学性质。然后，在三电极体系下，在1MH2SO4的酸性电解液中对二维硅氧烯材料进行循环伏安、电化学阻抗谱、恒电流充放电和循环稳定性试验来检测其电化学性能。　　结果表明，二维硅氧烯具有层状结构和介孔结构，表面含有丰富的含氧官能团(-OH)，且具有高比表面积(113.9 m2 g-1)。在1Ag-1的电流密度下，硅氧烯电极材料具有23Fg-1的比电容。此外，二维层状结构硅氧烯具有出色的长期循环稳定性(在2Ag-1电流密度下，10000次循环后，电容保留率为94.5%)。　　(2)通过水热合成法以氧化石墨烯(GO)和硅氧烯为前驱体制备了富氧的硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶(SGH)，并对该复合材料的超电容性能进行探究。首先，以氧化石墨烯和硅氧烯为原材料进行一步水热反应获得具有三维层次结构和丰富含氧官能团的硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、全自动微孔物理吸附分析仪、红外光谱仪、接触角测量仪、X射线衍射仪、拉曼光谱仪及X射线光电子能谱仪研究了SGH的形貌、结构和物理化学性质。然后，在三电极和双电极体系下，在1MH2SO4的酸性电解液中对SGH复合材料进行循环伏安，电化学阻抗谱，恒电流充放电和循环稳定性试验来检测其电化学性能。结果表明，一步水热反应后氧化石墨烯被还原，且在还原氧化石墨烯薄片之间插入了少量硅氧烯纳米片，硅氧烯作为“间隔物”与石墨烯形成三维结构，提高了材料的比表面积。更重要的是，通过硅氧烯改变了石墨烯片层的表面化学性质，引入了额外的含氧官能团，其丰富的含氧官能团有助于形成赝电容且提高材料的润湿性。SGH在1Ag-1电流密度下的比电容为520Fg-1，即使放电电流密度增加到100Ag-1，也能维持76.9%的电容值。此外，在50Ag-1的高电流密度下，经过15000个循环后，SGH的电容值维持了初始电容值的96.3%，表现出它具有出色的循环稳定性。最终，SGH//SGH组装的对称超级电容器具有杰出的性能，在功率密度为399.6Wkg-1的情况下，具有24.5Whkg-1的高能量密度。因此，硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶是一种很有前途的高性能超级电容器电极材料。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 超级电容器概述

1.2 超级电容器分类与原理

1.2.1 双电层电容器

1.2.2 赝电容器

1.2.3 混合超级电容器

1.3 超级电容器的特点

1.4 超级电容器的电极材料

1.5 超级电容器二维材料的研究进展

1.6 本课题选择的意义和内容

第 2 章 硅氧烯制备及其超电容性能研究

2.1 前言

2.2 实验

2.2.1 实验药品

2.2.2 实验仪器

2.2.3 实验所需溶液

2.2.4 样品的制备

2.2.5 硅氧烯结构和性能表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 硅氧烯的形貌表征

2.3.2 硅氧烯的结构表征

2.3.3 硅氧烯的电化学性能

2.4 本章小结

第 3 章 硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶制备及其超电容性能研究

3.1 前言

3.2 实验

3.2.1 实验药品

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验所需溶液

3.2.4 样品的制备

3.2.5 硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶结构和性能表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶的形貌表征

3.3.2 硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶的结构表征

3.3.3 硅氧烯/还原氧化石墨烯复合水凝胶的电化学性能

3.4 本章小结

结 论

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文

致 谢