氢氧化物、氧化物/石墨烯复合物作为超级电容器电极材料的制备及性能研究

论文摘要

超级电容器作为一种新型储能元件有许多用途。它不但自身能充当普通电源,还能与普通电池或燃料电池合并使用。此外,超级电容器在能量储存与输出方面表现出的高功率密度可以弥补二次电池的缺陷。现阶段有关超级电容器的研究多集中于电极材料。过渡金属氧化物/氢氧化物由于其高比电容有希望成为超级电容器电极材料。最近,理论比表面积高达2630m2/g的石墨烯也成为超级电容器电极材料的研究热点,而且石墨烯良好的化学稳定性、导电性、导热性、机械强度和柔韧性都是其成为超级电容器电极材料的有利条件。本文研究了电极材料的制备和电化学性能,主要研究内容和创新点如下:1.采用两步法,即先用Zn（NO3）2和KOH在氧化石墨的分散液中反应形成Zn（OH）2/GO前驱体,随后在空气中热处理获得ZnO/还原氧化石墨烯复合物。研究发现还原氧化石墨烯在复合物中的高度分散是样品获得良好电化学性能的关键,而ZnO和还原氧化石墨烯的质量比决定了还原氧化石墨烯在复合物中的分散或团聚程度。当ZnO和还原氧化石墨烯的质量比为93.3:6.7时,还原氧化石墨烯在ZnO中达到均匀吸收。该复合物中,还原氧化石墨烯的质量分数仅为6.7%,在SEM图片中所观察到的却几乎全是被ZnO颗粒包裹的还原氧化石墨烯片,而且复合物表现出高的比电容和良好的循环稳定性。另外,还原氧化石墨烯片堆叠呈三维网状结构,该结构能使电解质离子快速进入并达到还原氧化石墨烯层或电活性位点。电化学测试结果表明,均匀吸收的还原氧化石墨烯片的比电容相对于纯ZnO的比电容(135F g-1)提高了128%。此外,我们对实验过程中出现的一些意外现象进行了详细讨论。2.在水溶液中采用简明的化学方法合成了由还原氧化石墨烯担载SnO2纳米颗粒的复合物。从复合物（SnO2和还原氧化石墨烯的质量比为76.1:23.9）的场发射扫描电镜（FESEM）和投射电镜（TEM）图片可以看出,颗粒尺寸为4-8nm的SnO2均匀地生长在还原氧化石墨烯片上。有趣的是,还原氧化石墨烯的形貌很大程度上受所担载SnO2颗粒数量密度的影响。此外,SnO2作为空间阻隔剂有效地阻止了还原氧化石墨烯片的团聚。另一方面,导电性良好的还原氧化石墨烯构成活性材料和集流体之间电子快速传递的媒介,并为充放电过程中材料的膨胀/收缩提供了缓冲空间。因此,复合物作为超级电容器电极材料时具有很高的比电容（326F/g）和良好的循环稳定性（1000次充放电测试后,比电容仅衰减了2.8%）。结果表明复合材料电化学性能的显著改善是由SnO2和还原氧化石墨烯的两种电容（赝电容和双电层电容）之间的正向协同作用引起的。3.以氯化钴和硝酸铝为原料、聚乙二醇为结构导向剂,采用简明的化学共沉淀法成功制备了掺铝α-Co（OH）2。利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分别对结构和形貌进行了表征。采用红外光谱（FT-IR）和热重（TG）对样品的组成进行了分析。电化学性能通过循环伏安和恒电流充放电测试考察。结果发现Co2+和Al3+的摩尔比对产物的电化学性能有重要的影响。电化学测试显示:当Co2+和Al3+的摩尔比为8:2时,掺铝α-Co（OH）2表现出最高的比电容（1108F/g）。此外,500次充放电循环后,比电容仅衰减了6.9%。4.采用硝酸钴和硝酸铝为原料,以氧化石墨为载体,利用化学共沉淀法制备了具有超电容性能的铝代α-Co（OH）2/GO复合物。所得样品用XRD、FESEM和FT-IR进行了表征。循环伏安和恒电流充放电测试结果表明铝代α-Co（OH）2/GO复合物具有优越的电化学性能。在6 M KOH溶液中,电压范围为0–0.5V,电流密度为1A·g-1的条件下,比电容达到1137F·g-1。另外,在1A·g-1时,500次充放电循环后比电容只损失了12%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 超级电容器的研究背景
• 1.2 超级电容器的分类及工作原理
• 1.2.1 超级电容器的分类
• 1.2.2 超级电容器的工作原理
• 1.2.2.1 双电层电容器的工作原理
• 1.2.2.2 法拉第准电容器的工作原理
• 1.2.2.3 混合电容器的工作原理
• 1.3 超级电容器的优越性
• 1.4 超级电容器电极材料简介
• 1.4.1 超级电容器电极材料的分类
• 1.4.1.1 导电聚合物材料
• 1.4.1.2 金属氧化物材料
• 1.4.1.3 碳材料
• 1.5 氧化石墨和石墨烯简介
• 1.5.1 氧化石墨的形成和性质
• 1.5.2 石墨烯的结构和性质
• 1.5.3 石墨烯的制备方法
• 1.5.4 石墨烯的应用前景
• 2 的结构模型'>1.5.5 ZnO 和Sn0₂的结构模型
• 1.5.5.1 ZnO 的晶体结构
• 2 的晶体结构'>1.5.5.2 Sn0₂的晶体结构
• 2 和ZnO 作为超级电容器电极材料的反应机理'>1.5.6 Sn0₂ 和ZnO 作为超级电容器电极材料的反应机理
• 1.5.7 拉曼光谱的原理
• 1.5.7.1 瑞利散射与拉曼散射
• 1.5.7.2 拉曼效应
• 1.5.7.3 拉曼散射的产生
• 1.5.7.4 拉曼位移
• 1.5.7.5 拉曼光谱参数
• 1.5.7.6 拉曼散射的选择定则
• 1.5.7.7 拉曼光谱的优点
• 1.6 论文选题思路及主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 氧化锌/还原氧化石墨烯复合物的合成及还原氧化石墨烯在氧化锌中的均匀吸收引起的电容性能的增强
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 氧化石墨的制备
• 2.2.2 复合材料的制备
• 2.2.3 工作电极的制备
• 2.2.4 电化学测试
• 2.2.5 材料的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 复合物的热重分析
• 2.3.2 复合物的形貌分析
• 2.3.3 复合物的形成过程
• 2.3.4 XRD 分析
• 2.3.5 拉曼光谱分析
• 2.3.6 循环伏安分析
• 2.3.7 恒电流充放电分析
• 2.3.8 交流阻抗分析
• 2.3.9 复合物的循环稳定性
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2/RGO 复合物的制备及其超电容性能研究'>第三章 Sn0₂/RGO 复合物的制备及其超电容性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 氧化石墨的制备
• 3.2.2 复合材料的制备
• 3.2.3 工作电极的制备
• 3.2.4 表征
• 3.2.5 电化学测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 复合物的热重分析
• 3.3.2 复合物的形貌分析
• 3.3.3 复合物的形成过程
• 3.3.4 样品的相态分析
• 3.3.5 拉曼光谱分析
• 3.3.6 样品的循环伏安分析
• 3.3.7 充放电分析
• 3.3.8 复合物的交流阻抗分析
• 3.3.9 复合物的循环稳定性及循环效率
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 掺铝α-氢氧化钴的制备及其电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和仪器
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.2.1 活性材料的制备
• 4.2.2.2 电极材料的制备及电化学性能测试
• 4.2.2.3 材料的表征
• 4.2.2.3.1 红外光谱（IR）
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 材料的XRD表征
• 4.3.2 材料的SEM表征
• 4.3.3 材料的差热和热重表征
• 4.3.4 材料的红外光谱表征
• 4.3.5 材料的电化学性能测试
• 4.3.5.1 循环伏安测试（CV）
• 4.3.5.2 恒流充放电测试
• 4.3.5.3 循环稳定性测试
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 层状钴铝双氢氧化物/氧化石墨复合物的制备及其电容行为研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 氧化石墨的制备
• 5.2.2 复合材料的制备
• 5.2.3 工作电极的制备及电化学性能测试
• 5.2.4 材料的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 XRD分析
• 5.3.2 形貌分析
• 5.3.3 热重分析
• 5.3.4 红外光谱分析
• 5.3.5 循环伏安分析
• 5.3.6 充放电测试
• 5.3.7 复合材料的交流阻抗行为
• 5.3.8 循环稳定性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 硕士期间发表论文目录
• 致谢