氮掺杂石墨烯水凝胶材料在水系超级电容器的性能研究

摘要

石墨烯水凝胶材料具有三维结构、拥有较高的比表面积和较低的密度，具有良好的导电性、热稳定性，同时富含孔隙结构，将其应用在超级电容器领域具有非常重要的意义。近年来，研究发现氮掺杂方法是一种提高石墨烯自身的导电性能的重要手段。将氮掺杂过程引入至制备石墨烯水凝胶的过程中，有望制备出电化学性能相对更佳的氮掺杂石墨烯水凝胶，进而以制成性能更好的超级电容器。本文所使用的是一种新型低温氮掺杂方法，制备条件相对更加简单、安全。因此，本文的研究内容为以下几个方面:
　　(1)利用两种不同的还原剂（分别为碱性还原剂硫化钠和酸性还原剂抗坏血酸）制备石墨烯水凝胶，将两种石墨烯水凝胶制备成纽扣式超级电容器并进行电化学性能测试，对比其电化学性能。通过研究证明了在相同制备工艺下，以硫化钠为还原剂制备得到的石墨烯水凝胶的比电容和循环性能相对较高，从而得出结论:碱性还原剂更适于制备石墨烯水凝胶。
　　(2)将硫化钠制备的石墨烯水凝胶制备成纽扣式超级电容器，研究了在三种不同电解液(KOH、H2SO4、 Na2SO4)中的电化学性能，并加以比较。通过研究可以发现，硫化钠制备的石墨烯水凝胶所制备超级电容器在KOH电解液中的比电容最大，循环性能最好，同时具有较强的导电性。
　　(3)利用一种新型氮掺杂方法，制备氮掺杂石墨烯水凝胶，对其进行电化学性能测试，并与单纯石墨烯水凝胶进行比较。测试结果充分证明了氮掺杂石墨烯水凝胶较单纯石墨烯水凝胶具有更高比电容，更强的循环性能和更大的使用电流。
　　(4)在掺杂过程中，取氧化石墨烯与氮源比例分别为8∶1、6∶1、4∶1和2∶1制备氮掺杂石墨烯水凝胶，分别进行电化学性能测试，以探究最佳的掺杂比例。研究结果表明:氨水与氧化石墨烯的质量比1∶4时，所制备氮掺杂石墨烯水凝胶比电容最高，比容性能最强。
　　(5)在掺杂过程中，取还原时间分别为5小时、10小时、15小时制备氮掺杂石墨烯水凝胶，分别进行电化学性能测试，以探究最佳的掺杂时间。研究结果表明:掺杂时间为10小时时，所制备氮掺杂石墨烯水凝具有最佳的比电容和比容性能。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 引言

1．1 石墨烯水凝胶简介

1．1．1 石墨烯水凝胶的结构及性能

1．1．2 石墨烯水凝胶的制备方法

1．1．3 石墨烯水凝胶的应用

1．2 超级电容器简介

1．2．1 超级电容器的特点及结构

1．2．2 超级电容器的分类

1．2．3 超级电容器的性能测试

1．3 石墨烯氮掺杂方法简介

1．3．1 石墨烯氮掺杂类型

1．3．2 石墨烯氮掺杂方法分类

1．4 选题意义及研究内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 研究内容

2 石墨烯水凝胶的制备、表征和电化学性能测试

2．1 石墨烯水凝胶的制备

2．1．1 实验主要试剂与仪器设备

2．1．2 氧化石墨烯的制备

2．1．3 石墨烯水凝胶的制备

2．2 石墨烯水凝胶的表征

2．2．1 硫化钠还原石墨烯水凝胶的表征

2．2．2 抗坏血酸还原石墨烯水凝胶的表征

2．3 石墨烯水凝胶超级电容器的组装

2．4 两种还原剂制备石墨烯水凝电化学性能比较

2．5 硫化钠还原石墨烯水凝胶在不同电解液中电化学性能研究

2．5．1 硫化钠还原石墨烯水凝胶在KOH电解液中的电化性能

2．5．2 硫化钠还原石墨烯水凝胶在H2SO4电解液中电化学性能

2．5．3 硫化钠还原石墨烯水凝胶在Na2SO4电解液中电化学性能

2．5．4 硫化钠还原石墨烯水凝胶在三种电解液中电化学性能比较

2．6 本章小结

3 氮掺杂石墨烯水凝胶的制备、表征及电化学性能测试

3．1 氮掺杂石墨烯水凝胶的制备

3．1．1 实验主要试剂与仪器设备

3．1．2 氮掺杂石墨烯水凝胶的制备

3．2 氮掺杂石墨烯水凝胶的表征

3．3 氮掺杂石墨烯水凝胶超级电容器的组装

3．4 氮掺杂石墨烯水凝胶与石墨烯水凝胶电化学性能比较

3．5 氮源比例变化对氮掺杂石墨烯水凝胶电化学性能的影响

3．5．1 氮源比例1：2所制备石墨烯水凝胶电化学性能

3．5．2 氮源比例1：4所制备石墨烯水凝胶电化学性能

3．5．3 氮源比例1：6所制备石墨烯水凝胶电化学性能

3．5．4 氮源比例1：8所制备石墨烯水凝胶电化学性能

3．6 氮源掺杂时间变化对氮掺杂石墨烯水凝胶电化学性能的影响

3．6．1 氮掺杂时间为5小时所制备石墨烯水凝胶电化学性能

3．6．2 氮掺杂时间为10小时所制备石墨烯水凝胶电化学性能

3．6．3 氮掺杂时间为1 5 d,a,-I所制备石墨烯水凝胶电化学性能

3．7 本章小结

4 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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