氧化石墨诱导形成二维碳基材料及在超级电容器中应用

发布时间：2017-06-07 15:14

  本文关键词：氧化石墨诱导形成二维碳基材料及在超级电容器中应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：环境和能源问题迫使人类寻求新型、高效和环境友好的储能和换能装置。超级电容器具有超快的充放电速率,高功率性能,寿命长(105周期)等优势,目前受到广泛的关注。碳基电极材料具有成本低、稳定性好等优势,是最有前景的电极材料之一。增强导电性和提高比表面积可增强电子传输能力,提高电解质离子存储能力,进而改善材料的储能性能。综合考虑石墨烯材料拥有良好的导电性及多孔碳具有大的比表面的特点,本论文发展了利用氧化石墨作为石墨烯的前体,基于基团相互作用原理,诱导葡萄糖、明胶等生物质碳源生长,获得多孔碳/石墨烯二维复合体的方法,显著提升了材料的储能特性。主要研究内容如下:(1)以葡萄糖为碳源,氧化石墨为片层诱导剂,通过水热-碳化-活化(以ZnCl2为活化剂,在N2条件下碳化活化)合成了二维多孔碳/RGO复合碳材料(PCGS)。改变葡萄糖的加入量,可以有效调控二维片状材料的厚度及比表面积。合适条件下比表面积高达3200 m2 g~(-1)。材料在电流密度1 A g~(-1)时表现出较高的比电容值235F g~(-1),良好的倍率性能和库伦效率。研究结果指出RGO和多孔碳合理有效的结合可提高材料的电容性能和循环稳定性。(2)以明胶为碳源,氧化石墨为结构导向剂诱导明胶组装,经碳化和活化的过程获得厚度100nm左右,高比表面积(高达1476 m2 g~(-1))的LPCG基材料。GO不仅提高了LPCG基材料的导电性,对形成具有叠层结构的薄层碳片也是至关重要的。不使用RGO情况下明胶衍生的碳厚度约500nm。实验结果指出导电性的增加有利于改善材料的倍率性能,而导电性和比表面积的共同作用下可获得最高储能性能的材料。最优条件下,LPCG材料表现出较高放电比电容(电流密度0.5 A g~(-1)时455 F g~(-1),电流密度1 A g~(-1)时,366 F g~(-1)),优秀的倍率性能(电流密度30 A g~(-1)时221 F g~(-1))和良好的循环稳定性。水系电解液中,在低功率密度500 W kg~(-1)时,能量密度达到9.32 W h kg~(-1),并且具有良好的循环稳定性(96%,5000周期)。(3)通过引入导电性较好的碳纳米管,进一步拓宽材料的电压窗口以改善LPCG材料的储能性能。以明胶碳源,CNTs为导电剂,氧化石墨为片层诱导剂,通过碳化-活化的路线方法制备三元二维碳基材料(LPC-C-G)。LPC-C-G基材料最高比表面积高达1791 m2 g~(-1)。在该复合材料中,石墨烯可诱导片层材料的形成,多孔碳有利于电解液离子的访问和扩散,CNTs提高材料的导电性,对拓宽材料的电压窗口也有一定的影响。因此,材料表现出较高较高电压窗口(1.1V),较高放电比电容(电流密度2 A g~(-1)时,质量比电容值313 F g~(-1)),优秀的的循环稳定性(86%,5000周期)。实验结果证明提高导电性有利于改善材料的倍率性能及拓宽电压窗口。
【关键词】：氧化石墨 多孔碳 二维材料 超级电容器
【学位授予单位】：黑龙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-27
• 1.1 引言9
• 1.2 超级电容器概述9-13
• 1.2.1 超级电容器分类10
• 1.2.2 超级电容器工作原理10-12
• 1.2.3 超级电容器的发展及应用12-13
• 1.3 超级电容器电极材料13-17
• 1.3.1 碳基电极材料13-15
• 1.3.2 金属氧化物电极材料15-16
• 1.3.3 导电聚合物电极材料16-17
• 1.4 二维多孔碳在超级电容器中的研究进展及应用17-25
• 1.4.1 二维多孔材料电容特性的影响因素17-22
• 1.4.2 二维多孔碳的合成方法22-25
• 1.5 选题背景25-27
• 1.5.1 选题依据25
• 1.5.2 研究内容25-27
• 第2章 实验部分27-31
• 2.1 实验试剂27
• 2.2 实验仪器27-28
• 2.3 材料的表征方法28-29
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）28
• 2.3.2 拉曼光谱（Raman）28
• 2.3.3 N2吸附-脱附等温线（BET）28-29
• 2.3.4 X射线光电子能谱（XPS）29
• 2.3.5 扫描电子显微镜（SEM）29
• 2.3.6 透射电子显微镜（TEM）29
• 2.4 电化学测量技术29-31
• 2.4.1 循环伏安测试（CV）29
• 2.4.2 恒流充放电测试（GCD）29-30
• 2.4.3 交流阻抗测试（EIS）30-31
• 第3章 以葡萄糖为碳源制备多孔碳/RGO二维碳基材料31-43
• 3.1 引言31-32
• 3.2 实验部分32-34
• 3.2.1 氧化石墨的合成32
• 3.2.2 多孔碳/RGO二维碳基材料的制备32-33
• 3.2.3 超级电容器性能测试33-34
• 3.3 实验结果与讨论34-42
• 3.3.1 多孔碳/RGO二维碳基材料的结构与形貌分析34-38
• 3.3.2 多孔碳/RGO二维碳基材料的电化学性能研究38-42
• 3.4 本章小节42-43
• 第4章 以明胶为碳源制备多孔碳/RGO二维碳基材料43-64
• 4.1 引言43-45
• 4.2 实验部分45-46
• 4.2.1 氮掺杂多孔碳/RGO二维碳基材料的制备45-46
• 4.2.2 超级电容器性能测试46
• 4.3 实验结果与讨论46-63
• 4.3.1 氮掺杂多孔碳/RGO二维碳基材料的结构与形貌分析46-57
• 4.3.2 氮掺杂多孔碳/RGO二维碳基材料的电化学性能研究57-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第5章 以明胶为碳源制备多孔碳/CNTs/RGO二维碳基材料64-77
• 5.1 引言64-65
• 5.2 实验部分65-67
• 5.2.1 多孔碳/CNTs/RGO二维碳基材料的制备65-66
• 5.2.2 超级电容器性能测试66-67
• 5.3 实验结果与讨论67-76
• 5.3.1 多孔碳/CNTs/RGO二维碳基材料的结构与形貌分析67-71
• 5.3.2 多孔碳/CNTs/RGO二维碳基材料的电化学性能研究71-76
• 5.4 本章小结76-77
• 结论77-78
• 参考文献78-95
• 致谢95-96
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文96-97

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本文编号：429462