石墨烯基杂化材料可控制备及其在超级电容器中的应用

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1、申请上海交通大学博士学位论文石墨烯基杂化材料可控制备及其在超级电容器中的应用学校：上海交通大学院系：材料科学与工程学院班级：A1105091学号：0110509006博士生：杨树华工程领域：材料科学与工程导师Ⅰ：高濂（教授）导师Ⅱ：宋雪峰（副教授）上海交通大学材料科学与工程学院2015年03月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorCONTROLLEDSYNTHESISOFGRAPHENE-BASEDHYBRIDSFORTHEIRSUPERCAPACITOR

2、APPLICATIONAuthor：ShuhuaYangSpecialty:MaterialsScienceandEngineeringAdvisorⅠ:Prof.LianGaoAdvisorⅡ:AssociateProf.XuefengSongSchoolofMaterialsScienceandEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaMarch18,2015上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版

3、，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到

4、本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海交通大学博士学位论文摘要石墨烯基杂化材料可控制备及其在超级电容器中的应用摘要可持续能源的生产、存储和消费是当今世界所面临的重大挑战。目前，核心目标不仅是如何构建可再生和可持续的新型能源，更重要的是如何有效地储存和释放能量以满足实际应用中的需求，比如新能源电动汽车、便携式电子产品、太阳能和风力发电储能系统等。超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的绿色新型储能器件，由于具有高的功率密度、优异的循环稳定性、良好的可靠性和相对低廉的制作成本，已经引起广大科研者的关注和重视。石墨烯是近年来发现的只有一个碳原子厚度的二维

5、材料，因其极大的比表面积、超高的导电性和良好的化学稳定性，在储能材料领域显示出巨大的应用前景。本论文主要以高性能、低成本石墨烯基杂化材料的可控制备和在超级电容器领域中的应用为主题，利用石墨烯为导电网络和机械支撑设计合成了多种无机化合物与石墨烯的高性能杂化电极材料，并探索了杂化材料的形成机理和其微观结构对其电化学性能的影响，有望促进新型高性能超级电容器电极材料的发展。主要研究内容和取得的进展如下：（1）合成了具有独特介晶多孔结构、大比表面积、高导电性的石墨烯/自组装三氧化二铁纳米介晶杂化材料。探索了石墨烯/自组装三氧化二铁纳米介晶杂化材料的生长过程和形成机理并提出了自组装成型机

6、理。研究显示，石墨烯表面棒状α-Fe2O3介晶是由初始形成的FeOOH纳米棒通过自组装和同时伴随的相转变而形成的。恒电流充/放电曲线显示出，第I页上海交通大学博士学位论文摘要石墨烯/自组装三氧化二铁纳米介晶杂化材料具有优越的比电容性能，在-11MNa2SO4中性水溶液中，在3Ag电流密度下，其比容量高达306.9F-1-1g。即使在10Ag的高放电电流密度下，由于该杂化材料增强的离子和-1电荷传输效率仍然显示了较高的比电容（98.2Fg）。石墨烯/自组装三氧化二铁纳米介晶杂化材料也展示了优良的循环性能，并优于先前报道的石墨烯/三氧化二铁复合电极材料。（2）虽然多孔三氧化二铁纳

7、米介晶在石墨烯表面已经成功合成，但其孔隙大小和结晶度是不可控的。为了进一步提高其电化学性能，通过水热法和随后的煅烧过程制备了孔隙大小和结晶度均可控的石墨烯/热诱导多孔三氧化二铁杂化材料。在杂化材料中，多孔α-Fe2O3的孔径大小和-1结晶度可以通过改变加热速率进行有效调控。其中，在1°Cmin的缓慢升温速率下所获得杂化材料（S-PIGCs），由于优化的结构、窄的孔径分-1布、合适的微晶尺寸和良好的导电性，作为超级电容器电极材料在3Ag-1-1的电流密度下，表现出343.7Fg的超高比电容，甚至在10Ag