石墨烯%2f赝电容材料复合物制备和电化学性能的研究

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1、石墨烯／赝电容材料复合物的制备与电化学性能研究摘要在现代社会，由于环境污染和化石燃料的不断消耗，人们对新能源的需求促使能量存储与转换装置的不断发展。超级电容器(SCs)，作为一种新型的电荷存储装置，能表现出较高的功率密度、优异的可逆性与循环稳定性，被认为是能量存储领域有潜力的竞争者。能量既可以通过电极与电解液界面处的离子吸附构成双电层在超级电容器中储存(即双电层电容EDLC)，也可以通过电极材料内快速的、可逆的法拉第反应(即赝电容)进行储存。到目前为止，广泛应用的超级电容器电极材料包括碳材料、过渡金属氧化物和导电聚

2、合物。但是其中每一种材料在SCs应用方面都有其独特的优势与劣势。例如，碳材料具有突出的机械性能、电导性、循环寿命，但其比容量往往较低；而金属氧化物和导电聚合物有相对较高的比电容和快速的氧化还原反应机制，但是其机械性能和循环寿命差的特点限制了它们在电极材料方面的应用。因此，本文工作集中于制备碳材料石墨烯(GNS)与金属氧化物或导电聚合物的二元复合物，以充分发挥各自的优势、避免性能方面的缺陷。具体工作如下：采用一种温和的水热路线制备还原石墨烯纳米片与类海胆状MnO：纳米粒子的复合物(GNS／Mn02)用于超级电容器电极

3、材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)的测试结果发现Mn02纳米粒子原位生长在石墨烯纳米片上。这种独特的结构极大地增加了复合物的比表面积和Mn02的利用率。通过循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗测试来考察产物的电化学性能。结果显示GNS／Mn02复合物表现出的最大容量为263F／g，且循环寿命优异，经500次充放电循环后，电容残余量达99％。本实验为在石墨烯片上直接沉积Mn02纳米粒子提供一个简便直接的方法，也能为在石墨烯片上制备其它粒子用于其它领域提供一条新思路；采用一种非模板的方法将纳米级导

4、电聚合物聚苯胺与高电导性的石墨烯纳米片复合得到新型的、层层组装的多层复合物薄膜。苯胺单体在石墨烯纳米片上发生原位聚合，能为电极材料与溶液中电子和离子的接触提供较大的比表面积。GNS／PANI复合产物形貌为三明治状的夹层结构，聚苯胺纳米纤维均匀地分散在石墨烯片层之问，借此有效地改善石墨烯片与聚苯胺粒子的团聚。复合产物在1M的H2SO。电解液中表现出的最大比容量为312F／g(电流密度为60mA／cm2)，经1000次充放电循环GNS／PANI的电容残余量为89％，明显高于PANI。止t夕i-，复合物在倍率特性方面也明

5、显优于石景烯和聚苯胺；通过将纳米结构的Fe：0，与高电导性的石墨烯纳米片结合制备出一种新型纳米结构哈尔滨工程大学硕士学位论文复合物，以实现超级电容器电极材料应用所需要的高比电容与低内阻的性能。得到的GNS／Fe203复合物表现出--}中Fe203纳米棒吸附在石墨烯片表面或插入石墨烯层间的一种均匀的结构。GNS／Fe203复合电极的电化学性能在6MKOH电解液中测试，在10mA／cm2的电流密度下表现出了320F／g瞰j电容和经过500次充放电循环后电容残余量为90％的较优异的循环稳定性。这种简便、廉价的制备具有高容

6、量石墨烯基纳米复合物的方法有利于其商业应用。关键词：超级电容器；石墨烯：复合物电极；电化学性能杠墨烯／赝电容材料复合物的制备与电化学性能研究ABSTRACTNowadays，duetoenvironmentalissuesanddepletingfossilfuels，theincreasingdemand南rrenewableenergysourceshasstimulatedintenseresearchonenergystorageandconVerslonfromalternativeenergysourc

7、es．Supercapacitors(SCs)，ascharge—storagedevicesexhibitinghigh—powerdensity，excellentreversibilityandcycle—ability，areconsideredaspromisingcandidatesforenergystorage．Energycanbestoredinsupercapacitorsbymeansofeitherionadsorptionattheelectrode／electrolyteinterfa

8、ce(namely，electricaldouble一1avercapacitors，EDLCs)orfastandreversiblefaradicreactions(namely，pseudocapacitors)．Todate，carbonmaterials，transitionmetaloxidesandconductingpolymershaveb