基于超级电容器的石墨烯-氢氧化物复合材料制备、性能及机理研究

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1、硕士论文基于超级电容器的石墨烯一氢氧化物复合材料制备、性能及机理研究1绪论随着科技的迅猛发展，人类在迎来了前所未有的机遇的同时也陷入了资源日益短缺、生态环境逐步恶化的窘境。能源危机已成为可持续发展战略的核心，因此改变能源的生产方式和消费方式，开发可再生的清洁能源已成为科学家们关注的热点。在诸多能量形式中，电能是使用最方便应用最广泛的清洁能源【l】，而电能的储存是能源研究的热点也是制约其发展的瓶颈问题。超级电容器因其优良的特性，在这样的背景下成为全世界关注的焦点。超级电容器是一种介于电池和电容器之间的新型

2、储能元件【2J，较电池有更高的功率密度，较电容器有更高的储存电荷的能力，且具有充放电速度快、循环寿命长、效率高、使用温度范围宽、安全可靠等优点【3】。超级电容器有望在信息、电子、交通、工业H，5J等领域特别是缓解能源危机和降低环境污染方面发挥重要的作用。超级电容器中最为关键的就是电极材料，因此开发高比功率、高比能量的电极材料也就成了超级电容器研究中的核心【6】。目前电极材料主要有三大类：碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。碳材料比电容低但循环性较好，金属氧化物具有高比电容但价格昂贵而且循环过程中会发

3、生团聚。导电聚合物比电容高但循环性差。探索合适的复合电极材料，发挥协同效应，以获得更好的性能也是电极材料研究的重点。碳材料，广泛应用于化工、机械、电子、冶金、航空等领域，是重要的结构和功能材料。富勒烯、石墨烯、碳纳米管自发现以来就引起了世界范围对碳材料研究的热潮。其中二维碳基材料石墨烯的发现，不仅丰富了碳材料家族，且其具备的特殊结构及优异性能，使得石墨烯在研究领域体现出了极大的价值。石墨烯的复合材料已在储能、催化、生物医药等领域展现出了其优越的性能。通过氧化石墨来制备石墨烯复合材料是一个重要的方法【7，

4、81。氧化石墨是石墨经深度氧化后层间距远大于原石墨的层状化合物，其表面丰富的含氧基团，使其易溶解于大部分溶剂中形成稳定的单层氧化石墨片，也使其可与金属离子、极性分子或者高聚物复合形成性能优异的复合材料。氢氧化钴，理论比电容为3460F／g[91，具有独特的层状结构、多电子的反应特征以及良好的氧化还原反应活性【l叫；氢氧化镍，具有氧化还原可逆性、超高赝电容、价格低廉、来源丰富、污染小在超级电容器电极材料方面都有潜在的应用价值【l¨。将氧化石墨作为基底，与过渡金属氢氧化物(氢氧化钴、氢氧化镍)进行复合，利用

5、两者的协同效应，制备出性能优良的超级电容器复合电极材料。1绪论硕士论文1．1石墨烯的研究进展1．1．1石墨烯的概况2004年，Geim等人【81首次通过胶带反复剥离石墨获得了单层原子面材料石墨烯。石墨烯的发现，不仅推翻了经典热力学理论，而且引发了石墨烯研究的热潮。石墨烯可看作被剥离的单原子层石墨，基本结构为sp2杂化碳原子形成的二维晶体材料。石墨烯可以看做其他维度碳基材料的组成单元【12】：如零维的富勒烯可以看作是由石墨烯团聚而成，一维的碳纳米管可以看作是石墨烯卷曲而成，三维的石墨则可以看作是由石墨烯所

6、堆叠而成。1．1．2石墨烯的结构和性能石墨烯是碳原子以sp2共价键紧密相连而成的二维片层结构。它是完美的单层碳原子二维晶体，由一层六角蜂窝状的碳原子组成。由于石墨烯的特殊结构使其呈现出了诸多优异的性能。如力学性质，当外加机械力时，石墨烯中的碳原子就会弯曲变形，来适应外力而不必重新排列。石墨烯是人类已知的强度最高的物质，单层石墨烯的刚度达到0．25TPaIl3'141。热学性质，石墨烯具有非常优异的导热性fi邕(5000W／(m·K))【15】，石墨烯还具有非常优秀的导电性。而石墨烯的特殊结构，使其具有完

7、美的量子隧道效应，半整数量子霍尔效应，以及永不消失的电导率等[16-18】。在光学性质方面，石墨烯可以认为是一种“透明”导体，可用来替代液晶作为显示材料使用[19021】。1．1．3石墨烯的制备方法1．微机械剥离法2004年，Geim等【221首次用微机械剥离法，从高定向热裂解石墨上成功剥离并观测到了单层石墨烯。Geim研究组利用该方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不能满足工业化和规模化生产的要求

8、，目前只能作为实验室小规模制备。2．化学气相沉积法化学气相沉积法，又称CVD法，是指反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而得到固体材料的工艺技术。目前有麻省理工学院的Kong等例、韩国成均馆大学的Hong等【冽和普渡大学的Chen等【251三个独立的研究组在利用CVD法制备石墨烯方面做了较多的研究工作。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，例如碳氢化合物，它在高温下分’硕士论文基于超