基于石墨烯的超级电容器复合电极材料的制备及性能研究

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1、中图分类号：TM53学校代码：10216UDC：621.3密级：公开工学博士学位论文基于石墨烯的超级电容器复合电极材料的制备及性能研究博士研究生：刘亭亭导师：邵光杰教授申请学位：工学博士学科专业：应用化学所在单位：环境与化学工程学院答辩日期：2015年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinAppliedChemistryRESEARCHONPREPARATIONANDPERFORMANCEOFGRAPHENEBASEDCOMPOSITEELECTRODEMATERIALSFORSUPERCAPA

2、CITORSbyLiuTingtingSupervisor:ProfessorShaoGuangjieYanshanUniversityMay,2015燕山大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《基于石墨烯的超级电容器复合电极材料的制备及性能研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字

3、：日期：年月日燕山大学博士学位论文使用授权书《基于石墨烯的超级电容器复合电极材料的制备及性能研究》系本人在燕山大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相

4、应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要超级电容器作为一种高效、环保、新型的储能元件，在各领域均有着广阔的应用空间和发展前景。有关超级电容器电极材料的制备及性能研究一直是超级电容器领域的研究热点。鉴于石墨烯的优良特性，其与赝电容材料的复合物研究对于推动超级电容器电极材料的发展具有积极的作用。本研究采用改进的Hummers法制备氧化石墨，再采用微波处理制得石墨烯。以石墨烯为基础，采用不同的制备方法，制得多种石墨烯基二元复合材料和三元复合材料，并运用多种表征方法和测试手段对所得复合材料的

5、结构特征和微观形貌进行了分析，同时对复合材料的循环伏安行为、充放电特征、倍率性能、电化学阻抗谱及循环稳定性等电化学性能进行了研究。-1微波法制备的石墨烯在KOH电解液中，0.5A·g电流密度下的比容量为133.6-1F·g，循环稳定性和可逆性较好。采用超重力场下脉冲电沉积的方法制备了石墨-1烯-MnO2复合物，比容量达595.7F·g，1000次循环后没有衰减。论证了超重力场在复合材料制备中的重要作用，指出超重力场可有效的促进传质过程，减小电沉积过程中的浓差极化。通过调节装置转速可以控制超重力场的强度，随超重力场

6、强度不同，MnO2形貌发生转变，形貌的不同导致了所得复合物电化学性能的差异。结果表明，石墨烯和MnO2充分发挥了过渡金属氧化物和碳材料的协同效应，使得复合物的电化学性能得到改善。采用水热法，在石墨烯存在条件下，选用抗坏血酸、柠檬酸、葡萄糖几种绿色还原剂与KMnO4在相对较低的温度下发生反应。不同还原剂得到了不同种类的二价、三价锰系化合物与石墨烯的复合材料，MnC2O4/石墨烯、MnCO3/石墨烯、MnOOH/石墨烯、MnO/石墨烯等。探讨了不同反应比例和热处理温度对复合物组成、形貌以及电化学性能方面的影响。进一步

7、分析了石墨烯在复合物中的存在对于电化学性能改善方面的积极作用，主要源于石墨烯作为基体材料具有优良的导电性，同时，石墨烯的存在可以稳定材料的微观结构。通过电沉积的方法，制备了不同种类的石墨烯基三元复合材料：Ni(OH)2/Ni/石墨烯，Ni(OH)2/CNTs/石墨烯及PANI/MnO2/石墨烯。Ni(OH)2/Ni/石墨烯三元复-1合物，比容量可达2609F·g，分析认为，复合物中各组分充分发挥了自身的优点-I-燕山大学工学博士学位论文和作用，进而促进了复合物电化学性能的改善。所得Ni(OH)2/CNTs/石墨烯

8、三元复-1合物的比容量高达2868.5F·g，通过对形貌和机制的研究，指出了其优良的超电容性能与复合物中CNTs、石墨烯及Ni(OH)2所形成的特殊三维结构有关。PANI/MnO2/石墨烯三元复合物比PANI/MnO2二元复合物和纯PANI具有更出色的超电容性能，文中分析了其原因：石墨烯作为基体，其上均匀分布棒状结构的PANI，MnO2纳米粒子均匀分布于PANI纳米棒上，