基于石墨烯复合材料的电化学超级电容器

论文摘要

超级电容器是一种能够提供大功率输出、具有超长使用寿命和稳定性的电化学储能器件。石墨烯是一种具有二维共轭结构、单原子层厚度的新型碳材料。这一材料的优异导电性、力学性能、电化学稳定性、巨大的理论比表面积、丰富的化学修饰与组装性质、低成本的石墨化学制备方法等优势使其成为一种性能优异、并具有实际应用前景的超级电容器电极材料。本课题以化学法制备的石墨烯作为超级电容器电极的基体材料，并在其上负载、修饰具有氧化还原伪电容活性的材料，通过不同的制备、组装方法得到了两种石墨烯复合电极材料——石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合物（G-PNF）柔性薄膜，以及2-氨基蒽醌修饰的石墨烯水凝胶（AQSGH），并对两种复合材料的化学组成、形貌以及电化学性能进行了表征。制备方法与表征结果如下：（1）在超声辅助下，通过非共价的静电相互作用制备了G-PNF复合物在水中的稳定分散悬浮液，并通过抽滤诱导自组装的方法，得到三明治结构的层状薄膜。G-PNF复合物薄膜中石墨烯的质量分数为44%，电导率比聚苯胺纳米纤维高10倍以上，并具有较好的力学性能与柔韧性。作为超级电容器，复合物薄膜在0.3A/g的充放电速率下电容量达到210F/g（160F/cm3）。基于G-PNF复合物的超级电容器在快速充放电性能、稳定性、内阻等方面比基于聚苯胺纳米纤维的超级电容器有了明显的提高，充分体现了复合物中两种材料的协同效应。（2）将具有氧化还原活性的有机小分子2-氨基蒽醌以共价键修饰到氧化石墨烯表面。通过化学还原诱导自组装的方法，制备得到具有一定的力学性能较好的导电性以及独特的大孔多孔结构的AQSGH复合水凝胶。AQSGH具有258F/g的单电极比电容，其中修饰的2-氨基蒽醌提供了65F/g左右的伪电容。AQSGH的快速充放电性能优异、稳定性卓越。石墨烯水凝胶提供了多孔、导电、稳固的电极基体，使负载材料2-氨基蒽醌的氧化还原伪电容得到高效利用。两种材料各自的优势在复合材料中都得到了充分的展现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 超级电容器
• 1.1.1 超级电容器的研究意义
• 1.1.2 超级电容器的特点与分类
• 1.1.3 双电层电容器（EDLC）的电极材料
• 1.1.4 伪电容器（Pseudocapacitor）的电极材料
• 1.1.5 氧化还原电容器与双电层电容器电极材料的比较与研究前景
• 1.2 石墨烯的特点以及在超级电容器领域的应用前景
• 1.2.1 石墨烯简介
• 1.2.2 石墨烯作为超级电容器材料的优势
• 1.2.3 基于石墨烯的复合材料
• 1.3 本课题的研究目的与方法
• 第2章 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 测试仪器
• 2.1.3 实验仪器与耗材规格
• 2.2 材料合成
• 2.2.1 氧化石墨烯（GO）的制备与纯化
• 2.2.2 自分散的还原石墨烯（CCG）悬浮液的制备
• 2.2.3 聚苯胺纳米纤维（PANI-NF）的制备与纯化
• 2.2.4 CCG/PANI-NF 复合物薄膜的制备
• 2.2.5 2 -氨基蒽醌修饰 GO（AQGO）的制备与纯化
• 2.2.6 AAQ 修饰的石墨烯柔性薄膜与复合凝胶（AQSGH）的制备
• 2.3 材料表征
• 2.3.1 结构与形貌表征
• 2.3.2 改进的 MB 吸附法测量 AQSGH 凝胶比表面积
• 2.3.3 电极与超级电容测试器件的制备与电化学表征
• 2.3.4 电容量、能量密度、功率密度的计算
• 第3章 基于石墨烯/聚苯胺纳米纤维柔性薄膜的超级电容器
• 3.1 本章引言
• 3.1.1 聚苯胺（PANI）的特点以及作为超级电容器材料的优势
• 3.1.2 聚苯胺作为超级电容器材料存在的问题
• 3.1.3 本课题的研究思路
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 G-PNF 悬浮液及薄膜的制备与表征
• 3.2.2 基于 G-PNF30薄膜电极的超级电容器件的性能
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于2-氨基蒽醌修饰石墨烯水凝胶的超级电容器电极
• 4.1 本章引言
• 4.1.1 具有氧化还原活性的有机小分子
• 4.1.2 RASOM 作为伪电容材料的优势
• 4.1.3 利用 RASOM 伪电容的难点以及石墨烯作为基体材料的优势
• 4.1.4 本课题的研究思路
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 AQGO 的合成与表征
• 4.2.2 AQGO 的还原与组装
• 4.2.3 AQSGH 的电化学性能
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果