超級(jí)電容器石墨烯基復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、石墨烯是一種具有單個(gè)碳原子厚度的二維碳材料,由于這種碳材料具有良好的導(dǎo)電性和大的比表面積,而被認(rèn)為是一種理想的雙電層電容材料。但因其比電容低等不足限制了實(shí)際應(yīng)用。贗電容材料雖然具有高的比電容,但又因其導(dǎo)電性差而降低了它們?cè)陔娀瘜W(xué)反應(yīng)過程中的活性物質(zhì)利用率、倍率性能和循環(huán)性能。本研究者利用石墨烯特殊的物理和化學(xué)性質(zhì),將贗電容材料作為第二相引入到石墨烯中,以獲取的復(fù)合材料可以具有突出的電化學(xué)性能。結(jié)合Hummer法與熱還原制備了石墨烯,并以

2、石墨烯為載體,制備了MnO2、MnOOH、Co和Co3O4與石墨烯的超級(jí)電容器復(fù)合電極材料,研究了它們的電化學(xué)性能。
　　在石墨烯的合成方法研究中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨粉具有規(guī)則的薄片狀結(jié)構(gòu)時(shí),制備的石墨烯也具有相對(duì)小而且規(guī)則的石墨烯簇。在石墨烯的電化學(xué)性能研究中發(fā)現(xiàn),在Na2SO4和KOH電解液中,石墨烯表現(xiàn)出不同的比電容。在Na2SO4電解液中,石墨烯在循環(huán)伏安掃描速度為5mVs-1下的比電容為56.3Fg-1;掃描速度為500mVs-

3、1時(shí),石墨烯的比電容降低到18.1Fg-1。在KOH電解液中,石墨烯在循環(huán)伏安掃描速度為5mVs-1下的比電容為146.0Fg-1;掃描速度增加到500mVs-1時(shí),石墨烯的比電容降低到95.8Fg-1。石墨烯在KOH電解液中表現(xiàn)出了更高的比電容。此外,以石墨烯作為電極活性材料的對(duì)稱電容器的比電容不會(huì)隨著工作電壓區(qū)間的變化而變化,說明石墨烯對(duì)稱電容器在Na2SO4和KOH電解液中具有穩(wěn)定的雙電層電容性質(zhì)。利用水熱反應(yīng)移除石墨烯中的羰基,

4、通過紅外和電化學(xué)阻抗分析發(fā)現(xiàn),羰基的減少會(huì)破壞石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)和降低石墨烯的親水性,使石墨烯的比電容發(fā)生降低。
　　在石墨烯基復(fù)合材料的研究中,采用KMnO4與石墨烯之間的氧化還原反應(yīng),在石墨烯的表面生成了MnO2顆粒,并通過水熱反應(yīng)將這種MnO2轉(zhuǎn)化成為了一維的MnOOH納米絲。MnO2/石墨烯和MnOOH/石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)性能研究表明,在Na2SO4電解液中MnO2可以顯著的提高超級(jí)電容電極材料的比電容;在制備MnOOH

5、/石墨烯復(fù)合材料的水熱反應(yīng)過程中加入氨水可以明顯的降低MnOOH/石墨烯復(fù)合材料的歐姆阻抗和電化學(xué)阻抗,有利于提高這種復(fù)合材料的比電容。
　　通過沉淀法將Co(OH)2納米片嵌入到石墨烯的交錯(cuò)片層結(jié)構(gòu)中,并采用熱處理方法將石墨烯中的Co(OH)2納米片分解成為Co3O4納米片,制備了納米片Co3O4/石墨烯復(fù)合材料。另外,采用水熱反應(yīng)將石墨烯中的Co(OH)2納米片轉(zhuǎn)化成為了均勻分布在石墨烯表面的金屬Co顆粒,制備了金屬Co/石墨

6、烯復(fù)合材料。電化學(xué)性能研究表明,在充放電電流密度為0.2Ag-1下,Co3O4納米片和納米片Co3O4/石墨烯復(fù)合材料的比電容分別為203Fg-1和338Fg-1;在充放電電流密度為1.5Ag-1下,金屬Co和金屬Co/石墨烯復(fù)合材料的比電容分別為460Fg-1和1373Fg-1。另外,金屬Co/石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)反應(yīng)電極電位為-0.70V和-1.07V(vs.Hg/HgO),因此該復(fù)合材料適合作為不對(duì)稱電容器的負(fù)極材料。以金屬Co