新型多孔碳-多層石墨烯復合碳材料的制備及其在超級電容器中的應用研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、目前,多孔碳材料的制備及其在儲能器件中的應用已受到廣泛關注和大量研究。多孔碳材料因具有物理和化學穩(wěn)定性、多孔性、導電性、價廉易得等優(yōu)點被認為是雙電層超級電容器的理想電極材料。然而,目前多孔碳材料的制備技術一般比較復雜,本文使用傳統(tǒng)的化學氣相沉積(CVD)技術,分別以鎳片和泡沫鎳為催化金屬制備由非晶碳和石墨烯組成的復合碳膜和三維泡沫復合碳材料,復合碳材料具有高的導電性、高強度和大的比表面積,特別適用于作為超級電容器的電極材料。電化學測試結(jié)

2、果表明超級電容器具有較大的比電容、超寬的頻率范圍、超快的速率和高的功率密度。具體研究內(nèi)容如下:
  首先,使用CVD技術以鎳片為襯底,以甲烷為碳源成功制備出由非晶碳膜和石墨烯組成的復合碳膜。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FSEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜(Raman)、X射線衍射儀(XRD)對復合碳膜的微觀結(jié)構進行表征。結(jié)果表明所制備的復合碳膜中非晶碳膜具有多孔結(jié)構,其孔徑尺寸在幾十納米范圍,石墨烯為多層石墨烯。該復合碳膜

3、制備技術簡單,易于控制,所制備的復合碳膜中的多孔非晶碳膜和多層石墨烯可整體或者分開轉(zhuǎn)移至任何基底上。另外,所制備的復合碳薄膜可直接作為電極應用于超級電容器中,通過測試循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗譜等,得到其具有很好的可逆性、穩(wěn)定性和很高的速率,在掃描速率為50mV/s時有490?F/cm2的較大的面積比電容。
  然后,使用CVD技術以泡沫鎳為襯底,以甲烷為碳源氣體成功制備出由非晶碳和石墨烯組成的三維泡沫復合碳材料。通過對復合碳

4、材料的微結(jié)構表征(FSEM、TEM、Raman和XRD等),發(fā)現(xiàn)復合碳材料的結(jié)構可以通過生長溫度進行調(diào)控。①在低溫區(qū)(<620℃),所制備的碳材料為三維泡沫多孔碳,但由于多孔碳的結(jié)構強度比較弱,所制備出的泡沫碳材料極易塌陷,最后得到多孔非晶碳薄膜;②在中溫區(qū)(625~700℃),可制備出由多孔非晶碳和石墨烯組成的三維泡沫復合碳材料,該復合碳材料主要是三維多孔泡沫碳,而在泡沫多孔碳表面覆蓋不連續(xù)的多層石墨烯片;③在高溫區(qū)(>700℃),可

5、以制備出三維泡沫中空石墨烯,并且在中空石墨烯內(nèi)表面附著有非高結(jié)晶度的碳,整個復合碳材料類似于泡沫鎳結(jié)構,幾乎無塌陷。
  最后,把三維泡沫碳材料直接組裝成對稱超級電容器,并利用電化學工作站研究其電化學性能。結(jié)果表明:所組裝的電容器都具有很好的電化學性能,即:超高的速率,較寬的頻率范圍,很好的穩(wěn)定性、可逆性以及較大的比電容。在高溫區(qū)所制備的三維泡沫多孔碳具有較高的面積比電容,其中最大的是在700℃的生長溫度下制備出的三維泡沫復合碳材

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