石墨烯基复合材料制备及超级电容器性能研究

作     者：刘子昂 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：包明;谭振权

授予年度：2017年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超级电容器 石墨烯 比容量 循环稳定性 

摘      要：超级电容器作为近年来最受关注的洁净能源装置之一,具有功率密度高,循环稳定性好等优势,是未来通信设备及交通设备的首选能源存储装置。石墨烯是超级电容器电极材料的最佳候选材料之一,近些年来倍受关注,然而石墨烯的一些弊端,如团聚现象,零能带隙等严重制约着石墨烯电极材料的商业化进程,且现阶段石墨烯电极材料电容量普遍不高。本论文提出以提高石墨烯基超级电容器电极材料比容量等性质为突破口,通过一系列掺杂等手段对石墨烯进行优化与改性并进行电化学性能的测定。测试数据表明,通过水热法合成的复合材料拥有良好的超级电容器性能,比容量、循环稳定性、倍率等均与报道的超电电极材料相媲美,甚至更优。研究工作分为以下三部分内容:(1)在传统Hummers方法基础上进行改良,制备氧化石墨烯(GO)分散液。SEM、TEM结果显示GO形貌呈透明絮状结构,层数较少。GO只有一个XRD衍射峰、结晶度良好、层间距较大。Raman结果显示,氧化石墨烯D峰、G峰显著变低、变弱,具有较高的无序度,并产生了一定的缺陷。红外光谱分析得出通过实验处理已将石墨成功氧化,石墨表面出现了羧基、羟基等含氧基团,具有一定的亲水性。(2)采用自制的氧化石墨烯作为前驱体,碳管、活性炭和三聚氰胺作为媒介,制备Nitrogen-doped Graphene/CNTs/AC(NGCA)复合材料。SEM、TEM、XPS和BET等结果表明碳管、活性炭插层于石墨烯片层之间,抑制了石墨烯的聚集。氮原子成功引入到了石墨烯网络结构当中,缺陷值较大,结构疏松多孔。循环伏安、恒电流充放电、电化学阻抗等电化学表征显示NGCA电化学性质优异,在0.5 A/g时,比电容可达到750 F/g,5 A/g条件循环两千次仍有81%的比电容,且电化学阻抗低,倍率性能良好。(3)采用自制的氧化石墨烯作为前驱体,钼酸钠为钼源,硫脲为硫源,制备Nitrogendoped Graphene/MoS2(NGM)复合材料。SEM、TEM、XPS和BET等分析数据证实了MoS2等已成功复合到石墨烯表面。循环伏安等电化学表征显示NGM电化学性能良好,1 A/g电流密度下,具有615.38 F/g的比电容量,5 A/g条件经过2000次循环后,比容量几乎无损,稳定性良好。