基于三维钻孔石墨烯水凝胶的超级电容器的研究

摘要

三维钻孔石墨烯水凝胶除了保留了石墨烯原有的高导电性、高比表面积和高机械强度等优点以外，还由于钻孔过程形成了丰富的孔径结构，又因为独特的三维水凝胶结构，有效地防止了石墨烯片层之间的团聚现象。以三维钻孔石墨烯水凝胶为电极材料的超级电容器表现出较高的比电容和优异的倍率性能及循环寿命。虽然以氧化镍为电极材料的超级电容器表现出超高的比电容和能量密度，但是氧化镍较低的导电率导致了其倍率性能和循环寿命较差。将氧化镍与高导电率的石墨烯或碳纳米管相结合，制备了石墨烯@氧化镍和碳纳米管@氧化镍核壳复合材料，并获得了较高的导电性能。本文将从合成三维钻孔石墨烯水凝胶、石墨烯@氧化镍和碳纳米管@氧化镍等高性能的电极材料和组装非对称超级电容器两方面着手，通过提高比电容和扩大电位窗口来增大超级电容器的能量密度。主要研究内容包括以下方面:
　　(1)采用化学还原氧化石墨烯的方法合成三维石墨烯水凝胶，再利用钴催化气化和酸洗过程，制备了三维钻孔石墨烯水凝胶。通过研究分析石墨烯/钴粒子混合物当中钴粒子的质量分数与石墨烯表面钻孔程度之间的关系，获得了一套制备最佳钻孔效果的三维钻孔石墨烯水凝胶的工艺参数。当钴粒子的质量分数为10wt％时，三维钻孔石墨烯水凝胶具有最佳的钻孔程度。以具有最佳钻孔程度的三维钻孔石墨烯水凝胶为电极组装了对称型超级电容器并研究测试了其性能。
　　(2)通过化学沉积法和退火处理制备了石墨烯@氧化镍核壳复合材料，并测试比较了石墨烯@氧化镍和氧化镍的电化学性能，得出了石墨烯@氧化镍的电化学性能得到显著提高的结论。分别以石墨烯@氧化镍和三维钻孔石墨烯水凝胶为正、负极材料组装了石墨烯@氧化镍//三维钻孔石墨烯水凝胶非对称超级电容器，并与石墨烯@氧化镍//石墨烯@氧化镍和三维钻孔石墨烯水凝胶//三维钻孔石墨烯水凝胶两款对称型超级电容器进行测试比较。
　　(3)利用化学沉积法和退火过程合成了碳纳米管@氧化镍核壳复合材料，测试比较了碳纳米管@氧化镍和氧化镍的电化学性能，得出了碳纳米管@氧化镍的电化学性能高于氧化镍的结论。组装了以碳纳米管@氧化镍和钻孔石墨烯为正、负极的碳纳米管@氧化镍//钻孔石墨烯非对称超级电容器，并测试对比了非对称超级电容器与碳纳米管@氧化镍//碳纳米管@氧化镍和钻孔石墨烯/钻孔石墨烯两种对称型超级电容器的性能。

目录

声明

致谢

摘要

1引言

1．1超级电容器

1．1．1超级电容器的概述

1．1．2超级电容器的分类

1．1．3超级电容器的储能原理

1．1．4超级电容器的应用及发展现状

1．2超级电容器电极材料及其研究进展

1．2．1双电层电极材料

1．2．2赝电容电极材料

1．2．3复合电极材料

1．3选题的意义和主要研究内容

1．3．1选题的意义

1．3．2主要研究内容

2．1．1实验材料及仪器

2．1．2材料制备仪器

2．1．3材料表征仪器

2．2测试技术和性能指标

2．2．1测试设备和体系

2．2．2性能测试技术

2．2．3性能评价参数

2．3本章总结

3三维钻孔石墨烯水凝胶的制备及其性能的研究

3．1三维钻孔石墨烯水凝胶的制备及研究方法

3．1．1实验过程

3．1．2三维钻孔石墨烯水凝胶的表征方法

3．2．1表面形貌和微观结构的表征

3．2．2超级电容器性能的测试

3．3本章总结

4石墨烯@氧化镍∥三维钻孔石墨烯水凝胶非对称超级电容器的研究

4．1石墨烯@氧化镍和三维钻孔石墨烯水凝胶的制备及研究方法

4．1．1实验过程

4．1．2石墨烯@氧化镍和三维钻孔石墨烯水凝胶的表征

4．1．3非对称超级电容器的组装和性能的测试

4．2实验结果与讨论

4．2．1表面形貌和微观结构的表征

4．2．2超级电容器性能的测试

4．3本章总结

5碳纳米管@氧化镍∥钻孔石墨烯非对称超级电容器的研究

5．1碳纳米管@氧化镍和钻孔石墨烯的制备及研究方法

5．1．1实验过程

5．1．2碳纳米管@氧化镍和钻孔石墨烯的表征

5．1．3非对称超级电容器的组装和性能的测试

5．2实验结果与讨论

5．2．1表面形貌和微观结构的表征

5．2．2超级电容器性能的测试

5．3本章总结

6结论

参考文献

作者简介

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