基于纳米碳的三维电极材料构筑及其在超级电容器中的应用

基于纳米碳的三维电极材料构筑及其在超级电容器中的应用随着经济的飞速发展,石油以及化石燃料的过度消耗引起诸多的环境问题。能源危机与环境污染是当今人类所面临和迫切需要去解决的两大难题。为了解决能源危机与环境污染,加快开发新型绿色环保能源势在必行。许多新型绿色能源(风能、氢能、太阳能等)得到开发利用。然而,适宜的储能装置是新能源大规模开发和可再生清洁能源利用的重要基础。与其他储能装置相比,超级电容器具有高功率密度、快速充放电、循环寿命长、维护成本低和环境友好等优点,是一种极具发展潜力的新型绿色储能装置。近年来开展超级电容器相关研发工作已经成为国内外研究的热点。然而,目前商业化的超级电容器能量密度相对较低,难以满足实际应用的需求。因此,开发具有高能量密度超级电容器势在必行。本论文以氧化石墨烯、面粉为纳米碳材料的前驱体,通过模板法和静电组装法构建三维电极材料。并采用X射线衍射技术、投射电子显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱等表征手段对所制备电极材料的微观结构和表面性质进行表征,采用恒流充放电法、循环伏安法以及交流阻抗法详细研究了电极材料的电化学性能。此外,将所制备的电极材料合理的匹配正负电极材料组装对称/非对称超级电容器,进而可以提高储能设备的能量密度。主要研究工作如下:(1)以泡沫镍为模板和集流体,通过在其表面沉积氧化石墨烯、经低温热还原法将氧化石墨烯还原,从而合成出三维功能化石墨烯(TRGN)。石墨烯与泡沫镍紧密的结合以及三维石墨烯网络结构可以有效地减少电极材料的内阻,有利于电子和离子的快速传递。此外,通过低温热还原氧化石墨制备的石墨烯表面存有大量的含氧官能团,含氧官能团在KOH电解液中可以产生赝电容,进而可以产生比双电层高的比容量。在6mol·L-1KOH电解液中,当扫描速度为2mV·s-1时,TRGN材料的比容量可达442.8F·g-1。接着以TRGN为电极材料组装对称超级电容器进行电化学测试,其能量密度可达30.4Wh·kg-1,电化学循环测试5000次后,比容量上升至初始的118%,说明TRGN材料具有优异的电化学稳定性。(2)以氢氧化钾为模板和活化剂,以面粉为碳源,通过一步碳化活化法来制备具有三维贯通蜂窝状多孔碳材料(HPC)。HPC材料具有三维贯通的多孔结构(大孔、中孔和微孔)、适宜的孔径分布、较大的比表面积((1313m2·g-1)和较高含量的杂原子掺杂(N:1.1at%,0:11.2at%)。在6mol·L-1KOH电解液中,其比容量可以达到473F·g-1,电化学循环测试10000次后,其比容量为初始的94.5%,表明HPC电极材料具有较高的比容量和良好的电化学稳定性。(3)通过微波法将纳米棒状二氧化锰沉积到HPC的表面(HPC/MnO2),所形成的三维贯通的孔结构有利于离子在电极材料内部快速扩散,较小的纳米棒有利于缩短离子扩散距离。在1mol·L-1-1Na2SO4电解液中,以HPC/MnO2作为电极材料,当扫描速度为2mV·s-1时,其比容量可达259F·g-1。当扫描速度为200mV·s-1时,比容量仍能保持68%,显示出良好的倍率性。此外,分别以HPC/MnO2和HPC作为正-负电极组装非对称超级电容器,测试结果表明该非对称系统的具有较高的能量密度(63.5Wh·kg-1)和优异的电化学稳定性(电化学循环测试5000次后,比容量为初始的93.4%)。(4)在氢氧化钠刻蚀钴-铝水滑石(CoAl-LDH)纳米片的过程中,在其层间引入十二烷基硫酸根作为结构的支撑,然后将所得产物与氧化石墨烯通过静电组装合成具有层-叠结构(LayerbyLayer)的石墨烯/CoAl-LDH复合材料(GSP-LDH)。由于石墨烯和十二烷基硫酸根起到结构支撑多孔CoAl-LDH的作用、同时石墨烯纳米片具有优异的导电性,上述特点致使复合材料具有快速的离子/电子传递能力以及良好的结构稳定性。在6mol·L-1KOH电解液中,当电流密度为1A·g-1时,GSP-LDH材料的比容量可达1043F·g-1,同时具有优异的倍率性(在20A·g-1时,比容量可达912F·-1)。此外,分别以GSP-LDH和石墨烯/多孔碳作为正-负电极组装非对称超级电容器,在功率密度为185.4W·kg-1时,其能量