石墨烯/二氧化锰复合材料的制备及其电容性能

论文摘要

本文以石墨为原料,通过化学共沉淀法制备了石墨烯/二氧化锰（石墨烯/二氧化锰）复合材料。利用红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA-DSC1）、X射线粉末衍射（XRD）技术对复合物的结构进行表征,用透射电子显微镜（TEM）观察材料的表面形貌,并利用恒电流充放电、交流阻抗、循环伏安技术研究了复合材料在pH为14的碱性硫酸钠溶液中的电容性能。结果表明：复合物的FT-IR谱图中出现了石墨烯和二氧化锰的特征吸收峰；XRD分析表明复合材料中二氧化锰为无定形结构；TEM结果表明,制备的石墨烯分散性较好,有少量褶皱,呈半透明片状。制备石墨烯时考察了氧化石墨烯的还原时间及硼氢化钠与氧化石墨烯的质量比对电容性能的影响；制备复合物时考察了石墨烯与硫酸锰的质量比对电容性能的影响,同时还考察了复合材料电极质量对电容性能的影响。结果表明：制备石墨烯时,氧化石墨烯的还原时间为10 h,并且氧化石墨烯与硼氢化钠的质量比为1：8时制得的石墨烯具有良好的电化学性能,因此在此相对优化的条件下制备了石墨烯/二氧化锰复合材料,当石墨烯和硫酸锰的质量比为1：3时,比电容达到最大值。电化学测试中考察了扫速、电流密度等电化学测试条件对复合材料电容性能的影响,并与相似条件下制得的石墨烯、二氧化锰做比较。结果表明,在相对优化的制备条件下,将得到的石墨烯/二氧化锰复合材料涂成电极,当电极中活性物质的质量为2.17mg,在-1-0.3 V电位范围内,电流密度为2 mA·cm-2,pH为14的碱性硫酸钠溶液中,该复合材料表现出较好的电容特性,单电极比电容可达283 F·g-1,在电流密度为5 mA·cm-2时,比电容下降了23%,与石墨烯、二氧化锰相比,石墨烯/二氧化锰具有较好的大电流放电能力。2 mA·cm-2的电流密度下循环1000次后,比电容仍然保持原来的85%,与纯石墨烯和二氧化锰电极的循环寿命相比,复合物的使用寿命和稳定性有了很大的改善。交流阻抗实验表明：石墨烯/二氧化锰复合材料具有较小的内阻,表明其具有良好的电化学性能。将石墨烯/二氧化锰电极材料组装成对称型超级电容器后,其能量密度达35 Wh·kg-1,比二氧化锰对称型超级电容器提高了63%。功率密度达1926 W·kg-1,比石墨烯对称型超级电容器提高了39%。因此复合材料组成的电容器性能更加优异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超级电容器的研究进展
• 1.1.1 超级电容器的工作原理
• 1.1.2 超级电容器的优点
• 1.1.3 超级电容器的发展与应用
• 1.1.4 超级电容器的电极材料
• 1.2 石墨烯电极材料
• 1.2.1 石墨烯的结构和性质
• 1.2.2 石墨烯的制备方法
• 1.2.3 石墨烯的应用
• 1.3 二氧化锰的研究进展
• 1.3.1 二氧化锰的结构特点
• 1.3.2 二氧化锰的制备方法
• 1.3.3 二氧化锰的应用
• 1.4 石墨烯/二氧化锰复合材料的研究进展
• 1.5 本论文工作
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 样品制备
• 2.2.1 石墨的前处理
• 2.2.2 氧化石墨的制备
• 2.2.3 后处理
• 2.2.4 氧化石墨烯（GO）的制备
• 2.2.5 石墨烯的制备（硼氢化钠还原）
• 2.2.6 石墨烯/二氧化锰复合材料的制备
• 2.3 物理性能测试
• 2.3.1 傅立叶红外光谱（FT-IR）
• 2.3.2 TGA/DSC1同步热分析仪
• 2.3.3 X射线粉末衍射（XRD）
• 2.3.4 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4 组装对称型超级电容器
• 2.5 电化学测试
• 2.6 计算公式
• 第3章 结果与讨论
• 3.1 制备条件对石墨烯/二氧化锰复合材料电容性能的影响
• 3.1.1 氧化石墨烯的还原时间对石墨烯电极材料的影响
• 3.1.2 氧化石墨烯与硼氢化钠的质量比对石墨烯电极材料的影响
• 3.1.3 石墨烯/二氧化锰与硫酸锰的配比对石墨烯/二氧化锰复合材料电容性能的影响
• 3.1.4 电极质量对石墨烯/二氧化锰复合材料电容性能的影响
• 3.2 测试条件对石墨烯/二氧化锰复合材料电容性能的影响
• 3.2.1 扫速对石墨烯/二氧化锰复合材料电容性能的影响
• 3.2.2 电流密度对石墨烯/二氧化锰复合材料电容性能的影响
• 3.3 石墨烯、二氧化锰及石墨烯/二氧化锰电容性能及循环稳定性的比较
• 3.3.1 不同电流密度下石墨烯、二氧化锰及石墨烯/二氧化锰电容性能的比较
• 3.3.2 石墨烯、二氧化锰及石墨烯/二氧化锰三者循环性能比较
• 3.3.3 石墨烯、二氧化锰及石墨烯/二氧化锰电化学交流阻抗谱比较
• 3.4 模拟电容器电容性能分析
• 3.4.1 石墨烯/二氧化锰-石墨烯/二氧化锰对称型超级电容器
• 3.4.2 石墨烯-石墨烯、二氧化锰-二氧化锰、石墨烯/二氧化锰-石墨烯/二氧化锰对称型超级电容器的比较
• 3.5 形貌及结构表征
• 3.5.1 FT-IR分析
• 3.5.2 TGA-DSC1分析
• 3.5.3 XRD分析
• 3.5.4 TEM分析
• 第4章 结论
• 参考文献
• 致谢