石墨烯水凝胶和量子点组装的三维电极的制备及其在超级电容器中的应用

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1、中图分类号：TM53单位代号：10280密级：公开学号：12721858硕士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYMASTER’SDISSERTATION石墨烯水凝胶和量子点组题装的三维电极的制备及其目在超级电容器中的应用作者林栋学科专业应用化学导师李珍研究员完成日期2015年05月上海大学本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合上海大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：主任：委员：导师：答辩日期：II原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已发表或撰写过的研究成果。参与同

2、一工作的其它同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：III上海大学工学硕士学位论文石墨烯水凝胶和量子点组装的三维电极的制备及其在超级电容器中的应用姓名：林栋导师：李珍研究员学科专业：应用化学上海大学环境与化学工程学院2015年05月IVADissertationSubmittedtoShanghaiUniver

3、sityfortheDegreeofMasterinEngineeringPreparationofThree-dimensionalElectrodesofGrapheneHydrogels/GrapheneQuantumDotsandtheApplicationinSupercapacitorsMA.Candidate:LinDongSupervisor:Prof.ZhenLiMajor:AppliedChemistrySchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,ShanghaiUniversityMay,2015

4、V摘要超级电容器是介于二次电池和传统电容器的新型储能器件，它有充电时间短、功率密度高、循环寿命长、生产成本低、安全和污染小等特点，在交通运输、能源、生物技术和军事等方面有着极大的应用潜力。然而与已商用的铅酸电池和锂离子电池相比，虽然超级电容器有高的功率密度和循环稳定性，但是其较低的能量储存能力难以满足人们工作和生活中日益增长的需求。石墨烯因其优良的化学稳定性、较好的导电性、较高的比表面积和较强的机械性能，成为超级电容器研究领域中最热门的电极材料之一。在本论文中，我们通过对氧化石墨烯进行水热处理，制备三维网状结构石墨烯水凝胶，有效抑制了石墨烯的团聚，获得了较高的双

5、电层电容和稳定的循环性能。然而，双电层电容材料的比容量和能量密度远低于赝电容材料，无法满足实际需求。如何在保持石墨烯水凝胶所具有的高循环稳定性和快速充放电能力的同时，大幅度提升比容量和能量密度，是本论文拟解决的关键科学问题。我们采用自下而上碱催化水相分子融合法，制备了表面胺基功能化的石墨烯量子点，它既有石墨烯的高比表面积、高稳定性和导电性的特性，其表面胺基功能化又使得其具有高赝电容活性。我们分别采用原位水热法和电泳沉积法，将胺基功能化石墨烯量子点和石墨烯水凝胶进行组装，构筑成具有高比容量、高能量密度、高功率密度和循环稳定性的胺基功能化石墨烯量子点/石墨烯水凝胶三

6、维结构的超级电容器。具体的内容如下：1.采用改良的Hummer法制备单层氧化石墨烯，通过调控水热法的温度和时间合成具有三维网络结构的石墨烯水凝胶。通过SEM、FTIR、XRD、TEM、Raman和XPS等对石墨烯水凝胶的结构和形貌进行表征。将制备的石墨烯水凝胶电极材料组装成超级电容器，发现其具有较高的比容量和高的循环稳定性，以1MH22SO4为电解液，在1mA/cm电流密度下该超级电容器电极的面容量为536.5mF/cm2，20mA/cm2电流密度时经过10000次恒电流充放电循环后电容器的容量保留率达到100%。2.采用原位水热法制备胺基功能化石墨烯量子点/石

7、墨烯水凝胶三维电极及其电容性能研究。首先，采用碱催化水相分子融合法制备表面胺基功能化的石墨VI烯量子点，通过AFM、TEM、XRD、Raman、FTIR和XPS等分析胺基功能化石墨烯量子点的结构和形貌。通过调控水热反应的温度和时间，改变石墨烯量子点的加入量，将胺基功能化石墨烯量子点与石墨烯水凝胶进行原位组装，制备三维复合电极材料。通过SEM、EDS、XRD和FTIR等对复合材料进行分析表征。在三电极系统下，以1MH2SO4为电解液，胺基功能化石墨烯量子点/石墨烯水凝胶复合材料的CV曲线出现氧化还原峰，在10mV/s扫描速率下，其克容量达到409F/g，远高于未负

8、载前的石墨烯水凝胶，说明