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石墨烯复合材料、活性炭复合材料的制备及表征

作　者: 韩广强
导　师: 唐卫华
学　校: 南京理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 石墨烯 聚苯胺 聚吡咯 空心炭 复合材料 电化学性能
分类号: TQ127.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


石墨烯是一种新型的材料,它具有较高的比表面积、良好的导电性能,但是其分散困难、易团聚的缺点限制了其在很多方面的应用。通过其前躯体氧化石墨烯(GO)或者制备其相关复合材料可以阻止其团聚或者解决分散问题。二氧化锰(MnO2)在储能领域有很大的应用潜力,其电容特性好,循环性能好,原料易得,对环境无污染,但是作为过渡金属氧化物,其导电性能不好、易团聚限制了其在储能领域的应用。科研人员在过去几年一直比较关注制备石墨烯与其它单一材料的二元复合材料,在三元材料复合方面的研究还不够充分,为此,我们尝试通过制备三元复合材料来避免单一材料的缺点,充分发挥三元材料的协同作用。我们尝试利用石墨烯、二氧化锰复合制备二元材料,然后再与聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)等导电高分子材料复合构建出三元复合材料。另外我们尝试了利用二氧化硅(SiO2)球体为模板,制备出空心炭(C),然后再制备出空心炭和聚吡咯的复合材料。我们首先通过聚苯(PANI)在氧化石墨烯(GO)为基底上原位聚合形成二元材料,然后将纳米二氧化锰(MnO2)均匀分布在聚苯胺(PANI)上面,然后再次在二氧化锰上面原位聚合聚苯胺,最后制备出聚苯胺包覆二氧化锰,况且这种包覆体均匀分散在氧化石墨烯基底之上的三元复合材料。电化学测试表明,其比电容最高可达409F/g,循环性能优良,5000次循环后比电容仍能达到原比电容的97%。我们通过以氧化石墨烯为导电基础材料,首先复合制备出GO和MnO2二元复合材料,GO和PPy二元复合材料,紧接着将以上两种材料在超声波分散的情况下制备RGO/MnO2/PPy三元复合材料。电化学测试表明,其比电容可达400F/g,循环性能良好,循环5000次后可达原比电容的91%。最后我们尝试了通过以SiO2球体为模板,制备出空心球状活性炭,在其上面原位聚合形成C-PPy复合材料,其电化学性能测试结果表明,比电容高达205F/g。通过红外光谱(FT-IR)测试、拉曼光谱(Raman)表征、X-射线衍射(XRD)表征、等对材料的结构进行了分析。通过热重分析仪(TGA)测试、光电子能谱(XPS)表征对其元素种类及含量做了分析、透射电镜(TEM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和电化学工作站等对复合材料的形貌和电化学性能进行了测试和分析。综上所述,我们成功制备出了不同类型和结构的具有良好循环性能和高比电容的复合材料,探索了制备复合材料的不同方法,为以后构建此类型的三元复合材料提供了相关依据。这些复合材料将来可以再储能领域进行相关的应用。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-19
  1.1 引言  11-12
  1.2 超级电容器  12-14
    1.2.1 超级电容器特点  12
    1.2.2 超级电容器工作原理  12-14
  1.3 超级电容器正负极电极材料研究概况  14-15
    1.3.1 炭基电极材料  14-15
    1.3.2 过渡金属氧化物材料  15
    1.3.3 导电聚合物材料  15
  1.4 二元或者三元复合材料在超级电容器中的应用  15-17
    1.4.1 石墨烯复合材料在超级电容器中电极材料中的应用  15-17
    1.4.2 活性炭复合材料在超级电容器中的应用  17
  1.5 本论文研究的背景、目的和内容  17-19
    1.5.1 本论文研究的背景和目的  17
    1.5.2 本论文的研究内容  17-19
2 氧化石墨烯/聚苯胺/二氧化锰复合材料的制备及表征  19-35
  2.1 引言  19
  2.2 实验部分  19-21
    2.2.1 实验仪器和药品  19-20
    2.2.2 氧化石墨烯/聚苯胺/二氧化锰制备  20-21
  2.3 表征方法和性能测试  21-24
    2.3.1 红外光谱分析(FT-IR)  21
    2.3.2 热稳定性分析(TGA)  21
    2.3.3 X-射线衍射分析(XRD)  21-22
    2.3.4 X-射线光电子能谱分析(XPS)  22
    2.3.5 拉曼光谱(Roman)分析  22
    2.3.6 场发射扫描电镜分析(FE-SEM)  22-23
    2.3.7 透射电子显微镜(TEM)  23
    2.3.8 电化学测试  23-24
  2.4 结果与讨论  24-34
    2.4.1 三元复合材料及其他材料的TGA表征分析  24
    2.4.2 三元复合材料及其他材料的XRD表征分析  24-26
    2.4.3 三元复合材料及其他材料的XPS表征分析  26-27
    2.4.4 三元复合材料及其他材料的Roman光谱表征分析  27-28
    2.4.5 三元复合材料及其他材料的FE-SEM和TEM表征分析  28-30
    2.4.6 三元复合材料及其他材料的电化学分析  30-34
  2.5 本章小结  34-35
3 石墨烯/二氧化锰/聚吡咯复合材料的制备及表征  35-48
  3.1 引言  35
  3.2 实验部分  35-37
    3.2.1 仪器药品  35-36
    3.2.2 三元复合材料的制备  36-37
  3.3 表征方法和性能测试  37
  3.4 结果与讨论  37-47
    3.4.1 复合材料FT-IR表征  37-38
    3.4.2 复合材料Roman光谱表征  38-39
    3.4.3 复合材料XRD谱表征  39-40
    3.4.4 复合材料XPS光谱表征  40-42
    3.4.5 复合材料TEM和FE-SEM表征  42-43
    3.4.6 三元复合材料及其他材料的电化学分析  43-47
  3.5 本章小结  47-48
4 活性炭/聚吡咯复合材料的制备及性能测试  48-56
  4.1 引言  48
  4.2 实验部分  48-50
    4.2.1 仪器药品  48-49
    4.2.2 三元复合材料的制备  49-50
  4.3 表征方法和性能测试  50
  4.4 结果与讨论  50-56
    4.4.1 复合材料FT-IR表征  50-52
    4.4.2 复合材料XRD表征  52-53
    4.4.3 复合材料FE-SEM表征  53-54
    4.4.4 C-PPy复合材料电化学性能测试  54-56
5 结论  56-57
致谢  57-58
参考文献  58-64
附录  64

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 非金属元素及其无机化合物化学工业 > 第Ⅳ族非金属元素及其无机化合物 > 碳及其无机化合物 > 碳
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