本文關(guān)鍵詞：三維納米結(jié)構(gòu)石墨烯基纖維復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性質(zhì)的研究

  更多相關(guān)文章： 超級電容器 石墨烯 靜電紡絲 三維結(jié)構(gòu)

【摘要】：在材料化學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域,具有分級結(jié)構(gòu)或復(fù)雜外形的三維納米材料已經(jīng)吸引了越來越多的關(guān)注度。因為三維納米分級結(jié)構(gòu)材料不僅可以繼承組成單位的優(yōu)越特性,還可以通過材料的特殊結(jié)構(gòu)獲得額外的優(yōu)異性能。目前已經(jīng)有諸多報道關(guān)于三維結(jié)構(gòu)納米材料的制備和應(yīng)用前景的研究。在各種不同的應(yīng)用領(lǐng)域,超級電容器作為一種最有前途的電化學(xué)儲能裝置,引起了人們極大的研究熱情。因為其擁有高的功率密度,可快速的進(jìn)行充放電,循環(huán)壽命長等突出優(yōu)勢。超級電容器主要通過以下兩種運行機(jī)制存儲能量：(1)雙電層電容(EDLC),源于電極表面電荷聚集形成的雙電層；(2)贗電容,由于電極材料與電解質(zhì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)。石墨烯作為最先進(jìn)碳材料的代表,擁有較大的比表面積(利于電解質(zhì)離子的轉(zhuǎn)移),電導(dǎo)率高(在電極制備過程中可省卻添加導(dǎo)電劑),優(yōu)越的機(jī)械性能(利于制備柔性電極)和較寬的電位窗口。盡管如此,但是對于大部分的能量儲存裝置,單純的碳材料產(chǎn)生的雙電層電容不能夠滿足需要。為了解決這一問題,我們選擇了石墨烯基金屬復(fù)合材料來充分發(fā)揮石墨烯雙電層電容的循環(huán)穩(wěn)定性和金屬材料較高能量密度的贗電容。該復(fù)合材料也可以避免金屬氧化物／金屬氫氧化物電導(dǎo)率低和穩(wěn)定性差的缺點。眾所周知,固相熱解法是目前制備多層石墨烯最常用的方法之一,可在催化劑的條件下在相對較低的溫度獲得產(chǎn)品,而且工藝簡單,生產(chǎn)規(guī)模較大。我們還沒有看到簡單制備三維分級結(jié)構(gòu)的石墨烯基金屬復(fù)合材料的相關(guān)報道。因此本文通過結(jié)合固相熱解法(金屬納米顆粒與石墨烯包覆層同時生成),靜電紡絲技術(shù)(制備納米超長纖維骨架)和水熱法(過程簡單,可以通過控制反應(yīng)溫度、時間和溶液成分等,調(diào)控次級結(jié)構(gòu)的自組裝)材料制備技術(shù),原位合成具有特殊三維結(jié)構(gòu)的石墨烯基金屬納米纖維復(fù)合材料。該材料具有獨特的孔結(jié)構(gòu),有利于離子和電子的傳輸,并且外面包覆的石墨烯層可以防止材料在電化學(xué)反應(yīng)過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。本論文主要的研究內(nèi)容如下：(1)鎳@石墨烯纖維復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能：以聚丙烯腈(PAN)纖維為前驅(qū)體,利用水熱處理方法制備Ni(OH)2/PAN 分級結(jié)構(gòu)纖維。通過兩組實驗的掃描電鏡圖片分別探討溫度和時間的改變對次級結(jié)構(gòu)生長的影響,最終根據(jù)其形態(tài)優(yōu)勢選擇了17℃、15 h條件下的水熱產(chǎn)物Ni(OH)2@PAN進(jìn)行后續(xù)處理。浸潤聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液后,Ni(OH)2@PAN通過在含有5%氫氣的氬氣中900℃煅燒3min,最終得到仿生榆錢外形結(jié)構(gòu)的鎳@石墨烯纖維。用該材料制備電極過程中沒有加入任何其他的導(dǎo)電劑,通過循環(huán)伏安法、恒流充放電等電化學(xué)測試分析其電學(xué)性能。該電極材料在0.5 A/g電流密度下比電容可以達(dá)到288.3 F/g；并且在1 A/g電流密度下循環(huán)5000次后比電容仍能夠保持原始的84%,這個結(jié)果顯示出該電極材料具有良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。并且通過循環(huán)伏安曲線深入探討了電極材料的贗電容機(jī)理,表明氫氧化鎳(a-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2),氧化氫氧化鎳(p-NiOOH和y-NiOOH)在循環(huán)過程中不斷的發(fā)生相轉(zhuǎn)化。(2)鎳-鈷@石墨烯纖維復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能：選用不同的前驅(qū)體纖維(PAN纖維、PMMA/Ni(AC)2纖維、PMMA纖維)經(jīng)相同的水熱條件進(jìn)行處理,表明對于不同的前驅(qū)體纖維構(gòu)筑相同成分的次級結(jié)構(gòu)的條件不同；并通過不同高溫煅燒時間處理PAN前驅(qū)體纖維水熱產(chǎn)物,證明了金屬顆粒外包覆的石墨烯層能實現(xiàn)可控生長。鉆酸鎳/[PMMA/Ni(AC)2]在后續(xù)經(jīng)氬氣氛圍中700℃煅燒20 min制備鎳-鈷@石墨烯纖維復(fù)合材料之前無需再加入固定碳源。通過循環(huán)伏安法、恒流充放電等電化學(xué)測試分析表明,該材料的倍率性能很好；該電極材料在0.5 A/g電流密度下的充放電數(shù)據(jù)得到,該條件下材料的比電容可以達(dá)到419 F/g。并且通過結(jié)合鎳-鈷@石墨烯纖維酸化后樣品的循環(huán)伏安曲線得出,金屬外包覆的石墨烯不僅維持了材料獨特的三維結(jié)構(gòu),增加了比表面積；還能夠產(chǎn)生雙電層電容為材料的比電容做貢獻(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 石墨烯 靜電紡絲 三維結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM53;TB33
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 超級電容器12-16
• 1.1.1 超級電容器的研究意義和結(jié)構(gòu)12-13
• 1.1.2 超級電容器的儲能機(jī)理13-15
• 1.1.3 超級電容器的電極材料15-16
• 1.2 石墨烯16-19
• 1.2.1 石墨烯的特性和制備方法16-17
• 1.2.2 三維石墨烯基復(fù)合材料的超級電容器電極17-19
• 1.3 靜電紡絲技術(shù)19-22
• 1.3.1 靜電紡絲技術(shù)原理及基本過程19-20
• 1.3.2 靜電紡絲技術(shù)在超級電容器電極材料方向的應(yīng)用20-22
• 1.4 本選題的意義和內(nèi)容22-24
• 第二章 實驗部分24-30
• 2.1 實驗所用儀器與試劑24-25
• 2.1.1 實驗所用試劑24
• 2.1.2 實驗所用儀器24-25
• 2.2 材料表征所用儀器簡介25-28
• 2.2.1 X射線衍射儀(XRD)25
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)25-26
• 2.2.3 高分辨透射電子顯微鏡(TEM)26
• 2.2.4 拉曼光譜儀26
• 2.2.5 比表面積及孔隙率分布測試儀(BET)26-27
• 2.2.6 電學(xué)性能測試方法和原理27-28
• 2.3 本章小結(jié)28-30
• 第三章 鎳@石墨烯復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性質(zhì)的研究30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 實驗部分30-32
• 3.2.1 前驅(qū)體纖維的制備30-31
• 3.2.2 三維結(jié)構(gòu)的鎳@石墨烯復(fù)合材料的制備31
• 3.2.3 電極制備與電化學(xué)性質(zhì)測試31-32
• 3.3 結(jié)果與討論32-41
• 3.3.1 PAN前驅(qū)體纖維水熱法構(gòu)筑次級結(jié)構(gòu)32-34
• 3.3.2 所制備的Ni(OH)_2@PAN形貌和成分的表征34-35
• 3.3.3 鎳@石墨烯纖維形貌、結(jié)構(gòu)和成分的表征35-37
• 3.3.4 鎳@石墨烯纖維電學(xué)性質(zhì)的表征37-41
• 3.4 本章小結(jié)41-44
• 第四章 鎳-鈷@石墨烯復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性質(zhì)的研究44-58
• 4.1 引言44-45
• 4.2 實驗部分45-47
• 4.2.1 實驗中所用到的電紡纖維的制備45
• 4.2.2 三維結(jié)構(gòu)的鎳-鈷@石墨烯復(fù)合材料的制備45-46
• 4.2.3 酸處理鎳-鈷@石墨烯復(fù)合材料46
• 4.2.4 電極制備與電化學(xué)性質(zhì)測試46-47
• 4.3 結(jié)果與討論47-56
• 4.3.1 水熱法次級結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑47-48
• 4.3.2 NiCo_2O_4/[PMMA/Ni(AC)_2]形貌和成分的表征48-49
• 4.3.3 以PMMA/Ni(AC)_2纖維為前驅(qū)體制備鎳-鈷@石墨烯結(jié)構(gòu)纖維49-52
• 4.3.4 以PMMA/Ni(AC)_2纖維為前驅(qū)體制備的鎳-鈷@石墨烯結(jié)構(gòu)纖維的電化學(xué)性質(zhì)52-53
• 4.3.5 酸化后的鎳-鈷@石墨烯結(jié)構(gòu)纖維的電化學(xué)性質(zhì)53
• 4.3.6 以PAN纖維為前驅(qū)體制備鎳-鈷@石墨烯結(jié)構(gòu)纖維53-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第五章 總結(jié)與展望58-60
• 5.1 工作總結(jié)58-59
• 5.2 工作展望59-60
• 參考文獻(xiàn)60-70
• 致謝70-72
• 攻讀碩士學(xué)位期間成果72

【參考文獻(xiàn)】

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 宋佳;碳包覆納米金屬氧化物的制備及其電容性能研究[D];北京化工大學(xué);2011年

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本文編號：645082