基于α-Fe2O3-rGO和α-MnS-N-rGO的非對稱超級電容器.pdf

1、超級電容器是一種新型的能量儲存裝置，其特征是能快速充放電和具有高功率密度。能量和功率密度是評估超級電容器電化學(xué)性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)。盡管大多數(shù)商用超級電容器的能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)介質(zhì)電容器，但仍然低于鋰離子電池和燃料電池的能量密度。提高電極材料的比電容和工作電壓是提高能量密度有效的方法。本文主要圍繞影響非對稱超級電容器能量密度的兩個主要因素，即比電容和工作電壓范圍展開，選擇和制備合適的正負(fù)極電極材料構(gòu)建高性能非對稱超級電容器。
　　本

2、文首先從非對稱超級電容器常用的負(fù)極材料石墨烯衍生物 rGO入手，通過改進(jìn)的 Hummers方法制備了 GO，并將其分散在不同的溶劑中(水、乙醇及DMF)，隨后對GO溶液進(jìn)行了溶劑熱還原。物相和結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，經(jīng)過溶劑熱還原后，不同溶劑中的GO都被還原成rGO。XPS結(jié)果表明，在DMF體系中，還實現(xiàn)了對rGO的氮摻雜，制備了氮摻雜石墨烯(N-rGO)，N-rGO中N的含量為2.58％。電化學(xué)測試結(jié)果顯示：水體系W-rGO和乙醇體系A(chǔ)-r

3、GO表現(xiàn)出典型的雙電層電容特征，而DMF體系N-rGO由于含有適量的含氧基團(tuán)和N原子，有部分贗電容。當(dāng)電流密度為1 A g-1時，W-rGO、A-rGO及N-rGO電極的比電容分別為101 F g-1、199 F g-1、268.1 F g-1。當(dāng)電流密度從1 A g-1增加到20 A g-1時，W-rGO、A-rGO及N-rGO電極的比電容分別為52、150和130 F g-1， A-rGO及N-rGO表現(xiàn)出的電化學(xué)性能明顯優(yōu)于W-r

4、GO。
　　其次，采用溶劑熱方法，以GO為基體，在乙醇體系中，以FeCl36H2O和CH3COONa3H2O為起始原料，通過簡單的溶劑熱方法，成功制備了2D片-片結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3/rGO復(fù)合材料。SEM和TEM結(jié)果表明：α-Fe2O3/rGO復(fù)合材料是由直徑約300 nm，厚度約30 nm的α-Fe2O3納米片均勻分散在相互連接的rGO網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中組成的。電化學(xué)測試結(jié)果顯示：α-Fe2O3/rGO復(fù)合材料在電壓范圍為-1.2V~

5、(-0.2V)表現(xiàn)出典型的贗電容特征。當(dāng)電流密度為1 A g-1時，α-Fe2O3/rGO復(fù)合材料的比電容為903 F g-1，高于純α-Fe2O3(347 F g-1)比電容的2倍。在所測試的電流密度范圍內(nèi)，α-Fe2O3/rGO復(fù)合材料的比電容均高于相同條件下純α-Fe2O3的比電容，這主要得益于α-Fe2O3/rGO復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)和rGO高導(dǎo)電性之間的協(xié)同效應(yīng)。
　　之后，在GO的DMF溶液中，用Mn(AC)24H2O和

6、L-半胱氨酸分別作為錳源和硫源，通過簡單的一步溶劑熱方法制備了α-MnS/N-rGO復(fù)合材料。SEM和TEM結(jié)果表明：α-MnS/N-rGO復(fù)合材料中的α-MnS納米顆粒實際上是由平均粒徑約為5 nm的納米晶團(tuán)聚而成，α-MnS納米粒子以無規(guī)則的形狀錨定在N-rGO表面，相互之間連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。XPS結(jié)果表明，α-MnS/N-rGO復(fù)合材料中N元素的含量為1%。電化學(xué)測試結(jié)果顯示：α-MnS/N-rGO復(fù)合材料在電壓范圍為0-0.65

7、 V表現(xiàn)出典型的贗電容特征。當(dāng)電流密度為1A g-1時，α-MnS/N-rGO復(fù)合材料的比電容為933.6 F g-1，是純α-MnS(189.4 F g-1)比電容的4倍。此外，α-MnS/N-rGO復(fù)合材料還具有優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　最后，分別以N-rGO和α-Fe2O3/rGO復(fù)合材料作為負(fù)極材料，α-MnS/N-rGO復(fù)合材料作為正極材料，組裝了α-MnS/N-rGO//N-rGO和α-MnS/N-rGO

8、//α-Fe2O3/rGO兩種新型的非對稱超級電容器，研究了這兩種新型非對稱超級電容器的能量密度和功率密度。電化學(xué)性能研究結(jié)果顯示：在3M KOH溶液中，α-MnS/N-rGO//N-rGO ASCs和α-Fe2O3/rGO//α-MnS/N-rGO ASCs的工作電壓范圍都可以擴(kuò)展至1.6 V；在電流密度為1A g-1時，α-MnS/N-rGO//N-rGO ASCs和α-MnS/N-rGO//α-Fe2O3/rGO ASCs比電容分