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铁/锰氧化物石墨烯复合材料超级电容器的研究

作　者: 肖婷婷
导　师: 杨常玲
学　校: 东华大学
专　业: 应用化学
关键词: 石墨烯水热法金属氧化物超级电容器
分类号: TQ127.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种新型炭质材料,也是自然界已知材料中最薄的一种,具有一些独特的物理特性。自2004年被发现以来,引起了科学界的关注,纯石墨烯的超级电容器是典型的双电层电容器,具有循环次数高、稳定性好等优点,缺点是能量密度低。赝电容电容器能量密度高,在实际研究中,石墨烯与金属氧化物复合,金属氧化物能为整个体系带来额外的赝电容,同时,石墨烯能够提高金属氧化物的导电性。此外,水热法制备还原氧化石墨烯(rGO)、制备石墨烯复合材料是低成本、高效率的方法,具有大规模生产的潜在可能。本文研究了水热法制备铁、锰氧化物与石墨烯复合物的过程。探讨了纳米材料的形成机理,原料、石墨烯对纳米棒形成的影响、复合材料中石墨烯的含量对于电极的电化学性能的影响。实验结果表明：形成FeOOH/rGO复合材料的水热过程中,氧化石墨烯(GO)不仅作为氧化剂氧化了Fe2+,而且还为FeOOH纳米晶体生长提供了基面,纳米棒在石墨烯的表面层层叠加,形成三维网状结构,提高了复合材料的比表面积。CH3COONa的存在能够促进纳米棒的生长和结晶,但是并不是生成纳米棒的必要因素。同时,氧化石墨烯上有羟基、羧基等含氧官能团,在有CH3COONa存在的情况下,CH3COONa和GO的水解提供了OH-,引起整个体系的pH值的增加,这种碱性的环境能够阻止Fe2+的过饱和,引发纳米材料的成核,FeOOH开始在石墨烯层片上成核形成中间体。随着时间的增长,纳米棒最终生长约200nm,最终氧化石墨烯上的含氧官能团会被逐渐消耗,得到了还原态的石墨烯复合物。FeOOH/rGO的电化学性能取决于复合材料中还原石墨烯的相对含量以及FeOOH与还原石墨烯的结合。石墨烯含量的增大和FeOOH的晶体尺寸的相对减小能够显著地提高电容器的比电容,FeOOH/rGO-2的比电容比rGO和FeOOH/rGO-1高。电流密度2A/g时,FeOOH/rGO-2复合材料电极的比电容达537.14F/g,是同等条件下rGO的2.6倍。该电容器经过400次恒电流充放电后,比电容仍然保持92.56%。此外,本文还对锰氧化物复合材料进行了研究,实验表明：在有还原石墨烯存在的条件下进行水热反应,悬浮液中的石墨烯微小片层可以为纳米材料的生长和结晶提供平台。还原石墨烯与MnO2的质量比对产物有决定性的影响,当质量比rGO:MnO2=1:3时,制备得到MnOOH/rGO复合材料,当质量比rGO:MnO2=1:1时,制备得到Mn3O4/rGO复合材料。Mn3O4/rGO上的纳米微球均匀地平铺在石墨烯的褶皱里,与石墨烯有较大面积的接触。用作超级电容器电极时,石墨烯作为导电骨架,能形成很大的导电网,使Mn304更大可能地释放赝电容,当石墨烯双电层电容与赝电容结合,能获得优越的电化学性能。电流密度2A/g时,Mn3O4/rGO的比电容值为297.14F/g。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-21
  1.1 引言  12
  1.2 超级电容器电极材料研究进展  12-16
    1.2.1 双电层电容器电极材料  13-15
      1.2.1.1 活性炭(AC)  13-14
      1.2.1.2 活性炭纤维(ACF)  14
      1.2.1.3 碳纳米管(CNT)  14
      1.2.1.4 炭气凝胶(CA)  14-15
    1.2.2 赝电容电容器电极材料  15-16
  1.3 石墨烯的制备及其在超级电容器中的应用  16-18
    1.3.1 机械剥离法  17
    1.3.2 气相沉积法  17
    1.3.3 电化学沉积法  17
    1.3.4 氧化还原法  17-18
  1.4 石墨烯与金属复合物在超级电容器上的应用  18-19
  1.5 课题的提出及研究内容  19-21
第二章实验试剂与表征手段  21-27
  2.1 主要化学试剂及原材料  21
  2.2 主要仪器设备  21-22
  2.3 分析方法  22-27
    2.3.1 材料的表征技术  22-24
      2.3.1.1 傅里叶变换红外光谱(FTIR)  22
      2.3.1.2 原子力扫描显微镜(AFM)  22-23
      2.3.1.3 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)  23
      2.3.1.4 拉曼光谱(Raman)  23
      2.3.1.5 X射线衍射分析(XRD)  23
      2.3.1.6 热重分析(TGA)  23-24
      2.3.1.7 氮气吸附脱附测试  24
      2.3.1.8 X射线光电子能谱(XPS)  24
    2.3.2 电化学性能测试  24-27
      2.3.2.1 工作电极和对电极的制备  25
      2.3.2.2 循环伏安测试(Cyclic Voltammetry)  25-26
      2.3.2.3 恒电流充放电测试(Galvanostatic Charge and Discharge)  26-27
第三章水热法制FeOOH/石墨烯复合材料及其电化学性能  27-43
  3.1 引言  27
  3.2 实验部分  27-29
    3.2.1 氧化石墨烯的制备  27-28
    3.2.2 FeOOH与石墨烯复合材料的制备  28
    3.2.3 水合肼还原氧化石墨烯(rGO)的制备  28-29
  3.3 结果与讨论  29-42
    3.3.1 氧化石墨烯的分散性及还原结构  29-30
    3.3.2 FeOOH/石墨烯复合材料的形貌、结构及组成分析  30-35
    3.3.3 空气、热回流对复合材料形成的影响  35-36
    3.3.4 FeOOH/石墨烯复合材料的形成机理  36-38
    3.3.5 FeOOH/石墨烯复合材料电极的电化学性能  38-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章水热法制MnO_x/石墨烯复合材料及其电化学性能  43-54
  4.1 引言  43
  4.2 实验过程  43-45
    4.2.1 MnO_2的制备  43-44
    4.2.2 MnO_x/GO的制备  44
    4.2.3 MnO_x/rGO的制备  44-45
  4.3 结果与讨论  45-53
    4.3.1 反应温度及石墨烯的含量对复合材料形貌的影响  45-47
    4.3.2 反应温度、石墨烯的含量对复合材料的结晶度、成分的影响  47-49
    4.3.3 MnO_xrGO3vl以及MnO_xrGOlvl复合材料的电化学性能  49-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章结论与展望  54-56
  5.1 石墨烯与铁氧化物复合材料  54
  5.2 石墨烯与锰氧化物复合材料  54-56
参考文献  56-62
攻读硕士学位期间论文发表情况  62-63
致谢  63

铁/锰氧化物石墨烯复合材料超级电容器的研究

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