自支撑石墨烯薄膜的制备、改性及其储能应用研究

摘要

超级电容器，一种新型电化学储能器件，由于其功率密度高，循环寿命长等优点受到了广大科研人员的关注。作为核心部件，电极材料的性能决定了超级电容器件的应用前景。目前被广泛研究的电极材料主要包括碳材料，金属化合物，导电聚合物等几大类。石墨烯薄膜，一种宏观纸状碳基材料，由于其独特的自支撑结构，高导电性和高柔韧性等优点迅速成为了超级电容器电极材料开发领域的热点。此外，由于近年来小型化便携式电子设备的快速发展，体积性能引起了越来越多的关注并逐渐成为了一种关键的评估超级电容器电荷存储容量的参数。因此，开发一种具有高体积性能石墨烯薄膜基电极材料对超级电容器的发展至关重要。然而，石墨烯片层之间的π-π堆叠和双电层储能机制等问题极大地限制了石墨烯薄膜的质量比电容，这对于体积比电容的提升是不利的。为了解决这些问题，本论文第一个工作采用电化学氧化法来扩大石墨烯薄膜的层间距同时引入具有电化学活性的异质官能团用以提升电化学性能，第二个工作利用有机分子接枝对石墨烯薄膜内部及外部空间进行改性，实现石墨烯薄膜内外空间的同时利用来提升其体积比电容。具体研究工作及结论如下：　　(1)室温超快制备N/O共掺杂石墨烯薄膜用于高体积性能超级电容器。采用电化学氧化方法来改性氢碘酸还原的石墨烯薄膜。值得强调地是，电化学氧化过程在室温下60秒内就能完成，这有利于实现大规模应用。此外电化学氧化过程中能够同时实现以下两个目标:1.由气泡效应引起的层间距离的扩大，这会导致更多的活性表面积暴露；2.引入了N掺杂位点和含氧官能团，不仅可以改善亲水性，还可以提供额外的赝电容。得益于以上优点，F-RGO-60薄膜在三电极体系下1Ag-1时质量比电容达到217.3Fg-1，这个数值远大于未改性的RGO薄膜(60 F g-1)。根据F-RGO-60薄膜的密度(1.47 g cm-3)，计算出对应的体积比电容为319.4Fcm-3。当组装成对称电容器时，F-RGO-60薄膜的体积能量密度高达9.14WhL-1，且具有优异的循环寿命(6000次循环后比电容保持率为91%)。　　(2)多巴胺改性石墨烯薄膜用于超高体积性能超级电容器。采用“内外空间双重利用”策略来解决石墨烯薄膜电极材料空间利用率低的问题，并将制备的聚多巴胺包覆的还原氧化石墨烯@多巴胺复合薄膜(DA/rGO@PDA)作为电极材料进行超级电容器性能测试:在三电极体系下，DA/rGO@PDA薄膜在高密度(1.72 g cm-3)的情况下质量比电容依然高达449.3Fg-1，对应的体积比电容为772.8Fcm-3。此外，两电极纽扣状对称超级电容器在0.5Ag-1时比电容为277Fg-1或476.4Fcm-3，对应的体积能量密度高达16.3WhL-1。DA/rGO@PDA薄膜的优异的电化学性能主要归因于：DA分子不仅被用作氧化还原活性间隔物以扩大层间距离并提供额外的赝电容，这保证了石墨烯复合膜内部空间的有效利用。将聚多巴胺层均匀地生长在石墨烯复合膜宏观表面来提供赝电容，这实现了石墨烯复合膜外表面的有效利用。　　本论文工作提出了两种不同的方法对石墨烯薄膜进行改性，为改善其电化学性能提供了新的思路。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1引言

1.2 石墨烯概述

1.2.1石墨烯简介

1.2.1氧化石墨烯简介

1.3石墨烯薄膜概述

1.3.1石墨烯薄膜简介

1.3.2石墨烯薄膜制备方法

1.4石墨烯薄膜在超级电容器中的应用

1.4.1 间隔材料

1.4.2 多孔化

1.4.3 异质原子掺杂

1.4.4 官能团调控

1.4.5 集流体

1.5 本课题的研究意义及研究内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

第 2 章 实验内容和表征

2.1实验原料

2.2实验仪器

2.3材料形貌和结构表征

2.3.1扫描电子显微镜(SEM)

2.3.2 X 射线衍射(XRD)

2.3.3 X 射光电子能谱(XPS)

2.3.4紫外可见分光光度计(Uv-vis)

2.3.5拉曼光谱(Raman)

2.3.6傅里叶转换红外光谱(FTIR)

2.3.7水接触角测试

2.4材料电化学性能表征

2.3.1 三电极体系

2.3.2 两电极体系

2.3.3 循环伏安测试

2.3.4 恒电流充放电测试

2.3.3 交流阻抗测试

第 3 章 室温超快制备 N/O 共掺杂石墨烯薄膜用于高体积性能超级电容器

3.1引言

3.2 实验部分

3.2.1 GO 溶液的制备

3.2.2 GO 和 RGO 薄膜的制备

3.2.3 电化学氧化处理

3.3 结果与讨论

3.3.1 形貌与结构分析

3.3.2 电化学性能分析

3.3 小结

第 4 章 多巴胺改性石墨烯薄膜用于超高体积性能超级电容器

4.1引言

4.2实验

4.2.1 GO 溶液的制备

4.2.1 GO 和 DA/GO 薄膜的制备

4.2.1 rGO、DA/rGO 和 DA/rGO@PDA 薄膜的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 形貌与结构分析

4.3.2 电化学性能分析

4.3 小结

第五章 结论与展望

参考文献

致 谢

附录A攻读硕士学位期间的研究成果