碳纳米复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

作     者：李方涛 

作者单位：信阳师范学院 

学位级别：硕士

导师姓名：余本海;王春雷

授予年度：2015年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米石墨烯片 三维碳纳米管网 MnO2 Ni(OH)2 超级电容器 

摘      要：当今人类面临能源日渐短缺、环境日益恶化的严重问题,发展可再生的新型能量转化与存储装置迫在眉睫。超级电容器又称为电化学电容器,是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件,由于具有比充电电池高的功率密度、比传统电容器高的能量密度特性等优点使其在各个行业都有着广泛的应用前景。虽然超级电容器充放电速度快、循环寿命长和环境友好,但是如何获得更高的能量密度,同时保持优异的循环稳定性和低的生产成本成为超级电容器进一步发展所面临的挑战。本论文的工作从决定电容器性能的关键因素—电极材料入手,创新性地以温室气体CO2为原料制备了电化学性能优异的碳纳米复合材料。论文的主要研究内容如下： 1.首次采用燃烧-淬火结合水热法在不同温度下制备了不同形貌的纳米石墨烯片掺杂的二氧化锰复合材料。利用SEM、XRD、Raman、TEM和BET等表征手段对复合材料的形貌、晶体结构和比表面积等进行了分析。当反应温度控制在40℃时制备了纳米石墨烯片掺杂的二氧化锰纳米颗粒,该材料在1M Na2SO4、溶液中、5-50mV s-1的扫速范围内均表现出了优异的双层电容性能。电流密度为1Ag-1时该材料的比电容为171.3F g-1,循环扫描3000圈后比电容仍然保持了150.6F g-1。当反应温度增加到140℃时制备了纳米石墨烯片掺杂的二氧化锰纳米管复合材料,该材料结晶性强、导电性好,表现出了优异的电化学性能。在1M Na2SO4溶液中、5-50mVs-1的扫速范围内均表现出了优异的双层电容性能。电流密度为1A g-1时该材料的比电容为290.6Fg-1,循环扫描3000圈后比电容仍然保持了265.4Fg-1。 2.采用气相沉积的方法以对环境有害的温室气体CO2为原料、金属Mg为还原剂、镍网为模板首次制备了三维碳纳米管网(CNTF)。并且在此基础之上利用水热法制备了电化学性能优异的Ni(OH)2/CNTF复合电极材料。该材料在6MKOH溶液中、5～100mV s-1的扫速范围内均表现出了优异的赝电容性能。以整个电极质量计,在电流密度0.5Ag-1时Ni(OH)2/CNTF的比电容为259F g-,当电流密度为10A g-1后比电容仍保持在131Fg-1。经过2000次恒流充放电循环后比电容仍保持在初始值的94%,表现出了优异的循环稳定性。