用于超级电容器的石墨烯/镍泡沫复合材料的制备及其储能特性的研究

作     者：孔姿淞 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡金明;谢明

授予年度：2023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：石墨烯 碳纳米管 镍泡沫 超级电容器 电泳沉积 水塑化发泡 

摘      要：近年来,超级电容器（SC）受到了越来越多的重视,其最大的优势在于采用了更大比表面积的电极材料以及更加先进的介质,使其能够提供更大的电容量,而且其功率密度也更高,可以持续使用很长的时间。目前石墨烯材料被广泛用于SC的设计和制造,主要是因为石墨烯是sp2杂化碳的二维蜂窝网络,具有许多显著的性能,如大比表面积、巨大的电子迁移率,高的机械强度、高导热性能、优良的化学稳定性能等。但是由于石墨烯的堆叠会限制石墨烯这些优异的性能,所以许多人致力于开发三维石墨烯材料,主要是三维石墨烯材料因为能够防止石墨烯片层的堆积,以保留石墨烯在二维上的物理和化学性能。本文主要研究采用电泳沉积的方法制备三维石墨烯/镍泡沫复合材料,构建三维多孔、高导电性、大比表面积、高循环性的超级电容器电极。（1）氧化石墨烯（GO）含有大量的负电性含氧官能团（OH-、COOH-）而表现出非常好的亲水性,将氧化石墨烯分散液配置成电泳沉积的悬浮液,由于氧化石墨烯含有大量的含氧官能团使得氧化石墨烯片呈现负电性,通过电泳沉积的方法可以将氧化石墨烯纳米片定向迁移到作为阳极的镍泡沫（NF）基体上,可以得到氧化石墨烯/镍泡沫（GO/NF）前驱体,之后将GO/NF进行还原可得到还原氧化石墨烯（RGO/NF）复合材料。在本文当中我们讨论了电泳沉积时,悬浮液的浓度、电泳沉积电压、电泳沉积的时间对电泳沉积造成的影响,同时还讨论了将NF的骨架去除以制备石墨烯泡沫的可行性。（2）通过水塑化发泡还原法（HPF）对GO/NF进行处理得到水塑化发泡还原氧化石墨烯/镍泡沫（HRGO/NF）,水塑化发泡主要为水塑化和发泡两个步骤,水塑化是将GO片变为塑化状态让发泡剂更容易进行渗透,发泡是采用发泡剂将GO上的OH-、COOH-形成气泡逸出石墨烯层间形成更加多孔的结构,以增大电极的比表面积,同时由于含氧官能团的去除,电极的导电性也得到大大的提升。在HPF作用下,石墨烯层间发生明显的膨胀,产生更小的微孔,增加了电极的比表面积,为离子传输和离子扩散提供了快速的传输通道,增加了SC的电容值,当电流密度为0.5 A/g时,比电容值为195 F/g。当电流密度增加到8 A/g时,比电容为初始比电容的53%。当扫描速率为100m V/s,扫描10000次后CV曲线仍为矩形,循环效率可保持在98%。（3）单独使用石墨烯或碳纳米管（CNT）作为SC的电极材料,容量性能并不理想。为了进一步提升其在储能领域的价值,本文通过电泳沉积的方法开发了RGO/CNT/NF复合材料,功能化后的CNT与GO一样表面含有大量的含氧官能团,通过电泳沉积的方式可以使得GO与CNT均可以定向迁移到镍泡沫基体上。因为石墨烯在单层的导电率非常好,但是层与层之间的导电率大大降低,CNT在电泳沉积以后穿插在石墨烯片层之间,为石墨烯层与层之间的电子传输起到枢纽作用,大大提升电极的电导率。RGO/CNT/NF电极在电流密度为1m A/cm下,产生431m F/cm的电容值。