氫氧化物、氧化物-石墨烯復(fù)合物作為超級(jí)電容器電極材料的制備及性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能元件有許多用途。它不但自身能充當(dāng)普通電源,還能與普通電池或燃料電池合并使用。此外,超級(jí)電容器在能量?jī)?chǔ)存與輸出方面表現(xiàn)出的高功率密度可以彌補(bǔ)二次電池的缺陷?，F(xiàn)階段有關(guān)超級(jí)電容器的研究多集中于電極材料。過(guò)渡金屬氧化物/氫氧化物由于其高比電容有希望成為超級(jí)電容器電極材料。最近,理論比表面積高達(dá)2630m2/g的石墨烯也成為超級(jí)電容器電極材料的研究熱點(diǎn),而且石墨烯良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性都是其

2、成為超級(jí)電容器電極材料的有利條件。本文研究了電極材料的制備和電化學(xué)性能,主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.采用兩步法,即先用Zn(NO3)2和KOH在氧化石墨的分散液中反應(yīng)形成Zn(OH)2/GO前驅(qū)體,隨后在空氣中熱處理獲得ZnO/還原氧化石墨烯復(fù)合物。研究發(fā)現(xiàn)還原氧化石墨烯在復(fù)合物中的高度分散是樣品獲得良好電化學(xué)性能的關(guān)鍵,而ZnO和還原氧化石墨烯的質(zhì)量比決定了還原氧化石墨烯在復(fù)合物中的分散或團(tuán)聚程度。當(dāng)ZnO和還原氧化石墨

3、烯的質(zhì)量比為93.3:6.7時(shí),還原氧化石墨烯在ZnO中達(dá)到均勻吸收。該復(fù)合物中,還原氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為6.7％,在SEM圖片中所觀(guān)察到的卻幾乎全是被ZnO顆粒包裹的還原氧化石墨烯片,而且復(fù)合物表現(xiàn)出高的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。另外,還原氧化石墨烯片堆疊呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)能使電解質(zhì)離子快速進(jìn)入并達(dá)到還原氧化石墨烯層或電活性位點(diǎn)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,均勻吸收的還原氧化石墨烯片的比電容相對(duì)于純ZnO的比電容(135Fg–1)提高

4、了128%。此外,我們對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些意外現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)討論。
　　2.在水溶液中采用簡(jiǎn)明的化學(xué)方法合成了由還原氧化石墨烯擔(dān)載SnO2納米顆粒的復(fù)合物。從復(fù)合物(SnO2和還原氧化石墨烯的質(zhì)量比為76.1:23.9)的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和投射電鏡(TEM)圖片可以看出,顆粒尺寸為4-8nm的SnO2均勻地生長(zhǎng)在還原氧化石墨烯片上。有趣的是,還原氧化石墨烯的形貌很大程度上受所擔(dān)載SnO2顆粒數(shù)量密度的影響。此外,Sn

5、O2作為空間阻隔劑有效地阻止了還原氧化石墨烯片的團(tuán)聚。另一方面,導(dǎo)電性良好的還原氧化石墨烯構(gòu)成活性材料和集流體之間電子快速傳遞的媒介,并為充放電過(guò)程中材料的膨脹/收縮提供了緩沖空間。因此,復(fù)合物作為超級(jí)電容器電極材料時(shí)具有很高的比電容(326F/g)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(1000次充放電測(cè)試后,比電容僅衰減了2.8%)。結(jié)果表明復(fù)合材料電化學(xué)性能的顯著改善是由SnO2和還原氧化石墨烯的兩種電容(贗電容和雙電層電容)之間的正向協(xié)同作用引起的

6、。
　　3.以氯化鈷和硝酸鋁為原料、聚乙二醇為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,采用簡(jiǎn)明的化學(xué)共沉淀法成功制備了摻鋁α-Co(OH)2。利用X射線(xiàn)衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)分別對(duì)結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。采用紅外光譜(FT-IR)和熱重(TG)對(duì)樣品的組成進(jìn)行了分析。電化學(xué)性能通過(guò)循環(huán)伏安和恒電流充放電測(cè)試考察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Co2+和Al3+的摩爾比對(duì)產(chǎn)物的電化學(xué)性能有重要的影響。電化學(xué)測(cè)試顯示:當(dāng)Co2+和Al3+的摩爾比為8:2時(shí),摻鋁α-C

7、o(OH)2表現(xiàn)出最高的比電容(1108F/g)。此外,500次充放電循環(huán)后,比電容僅衰減了6.9%。
　　4.采用硝酸鈷和硝酸鋁為原料,以氧化石墨為載體,利用化學(xué)共沉淀法制備了具有超電容性能的鋁代α-Co(OH)2/GO復(fù)合物。所得樣品用XRD、FESEM和FT-IR進(jìn)行了表征。循環(huán)伏安和恒電流充放電測(cè)試結(jié)果表明鋁代α-Co(OH)2/GO復(fù)合物具有優(yōu)越的電化學(xué)性能。在6MKOH溶液中,電壓范圍為0–0.5V,電流密度為1A·g