過渡金屬氧化物@三維石墨烯電極材料的組裝及性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器，也稱為電化學(xué)超級(jí)電容器，具有高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代的儲(chǔ)能設(shè)備，在諸多電子器件和設(shè)備中呈現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。與常規(guī)二維石墨烯相比，三維石墨烯氣凝膠（graphene aerogel，GA）具有表面積大和電子、離子傳導(dǎo)性及機(jī)械性能更佳等優(yōu)點(diǎn)，使其有望用于儲(chǔ)能設(shè)備。但一方面石墨烯提供的電容主要是雙電層電容，由于沒有氧化還原反應(yīng)發(fā)生，其電化學(xué)性能受到限制。另一方面，過渡金屬氧化物作為贗電容材料時(shí)可以提供較高的電

2、容和能量密度，但存在著循環(huán)壽命差等缺點(diǎn)。采用適當(dāng)?shù)暮铣晒に嚥⒄{(diào)控好其化學(xué)組成，制得的過渡金屬氧化物摻雜GA復(fù)合材料有望同時(shí)具有二者的優(yōu)點(diǎn)，因此這類材料成為儲(chǔ)能設(shè)備電極材料的研究熱點(diǎn)之一。
　　本論文分別利用直接水熱合成法或浸漬法并結(jié)合冷凍干燥或焙燒工藝，先后制備了幾種過渡金屬氧化物摻雜GA的復(fù)合材料，利用諸多手段對(duì)其進(jìn)行了表征，并較詳盡地考察了其作為超級(jí)電容器電極材料時(shí)的電化學(xué)性能，主要工作如下：
　　（1）以乙酸錳和氧化石

3、墨烯（GO）為前驅(qū)物，分別以聚乙二醇6000和氫氧化鈉為活性劑和礦化劑，采用一鍋煮直接水熱合成法結(jié)合冷干工藝，成功制備了Mn3O4納米粒子摻雜GA（Mn3O4@GA）復(fù)合材料。結(jié)果表明，Mn3O4顆粒均勻分散于GA的3D結(jié)構(gòu)中；當(dāng)電流密度為0.5 Ag-1時(shí)，該復(fù)合材料的比容量高達(dá)408.5 Fg-1，并呈現(xiàn)出較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能，1 A g-1的電流密度下循環(huán)2000次后，其比容量仍保持初始值的96.81％。
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4、以硝酸鈷和GO為前驅(qū)物，以尿素為活性劑，采用一鍋煮直接水熱合成法結(jié)合冷干及焙燒工藝，成功制備了Co3O4納米粒子摻雜GA（Co3O4@GA）復(fù)合材料。結(jié)果表明，Co3O4@GA比表面積高達(dá)463.2 m2 g-1，其中球型Co3O4顆粒均勻分散于GA中；當(dāng)電流密度為1 A g-1時(shí)，所得復(fù)合材料比容量高達(dá)673.4 F g-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單純Co3O4（296.1 F g-1），并呈現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能，1 A g-1的電流密

5、度下循環(huán)2000次后，初始比容量?jī)H降低3.00%。
　　（3）以高錳酸鉀和GO為前驅(qū)物，采用在酸性體系中一鍋煮直接水熱合成法結(jié)合冷干及焙燒工藝，成功制備了MnO2納米粒子摻雜GA（MnO2@GA）復(fù)合材料。結(jié)果表明，MnO2@GA復(fù)合材料具有豐富的孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積（SBET=196.6 m2 g-1）；當(dāng)電流密度為0.5 A g-1時(shí)，MnO2@GA的比容量（379.7 F g-1）明顯高于單純MnO2（101.3F g-1

6、），并呈現(xiàn)出較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能，0.5 A g-1的電流密度下循環(huán)2000次后，初始比容量?jī)H降低3.87%。
　?。?）以GO為原料，采用直接水熱還原法結(jié)合冷干工藝，成功制備了單純GA。進(jìn)而將其分散于硝酸鎳乙醇溶液中，借助浸漬、焙燒工藝將NiO納米粒子摻雜其中，制得NiO@GA復(fù)合材料。結(jié)果表明，與單純NiO（SBET=16.6 m2 g-1）相比，該復(fù)合材料表現(xiàn)出更大的比表面積（SBET=104.1 m2 g-1）；當(dāng)

7、電流密度為0.5Ag-1時(shí)，NiO@GA的比容量高達(dá)893.1F g-1，并呈現(xiàn)出較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能，0.5 A g-1的電流密度下循環(huán)2000次后，初始比容量保持率為97.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相應(yīng)的單純NiO（初始比容量保持率為69.3%）。
　?。?）以硝酸銅為前驅(qū)物，采用與上述NiO@GA相似工藝，制得CuO@GA復(fù)合材料。結(jié)果表明，柱狀CuO顆粒較均勻地分散于GA中，與單純CuO（SBET=0.6m2g-1）相比，該復(fù)