過渡金屬氧化物@三維石墨烯電極材料的組裝及性能研究.pdf

1、超級電容器，也稱為電化學超級電容器，具有高功率密度和長循環壽命等優點，被認為是新一代的儲能設備，在諸多電子器件和設備中呈現出極好的應用前景。與常規二維石墨烯相比，三維石墨烯氣凝膠（graphene aerogel，GA）具有表面積大和電子、離子傳導性及機械性能更佳等優點，使其有望用于儲能設備。但一方面石墨烯提供的電容主要是雙電層電容，由于沒有氧化還原反應發生，其電化學性能受到限制。另一方面，過渡金屬氧化物作為贗電容材料時可以提供較高的電

2、容和能量密度，但存在著循環壽命差等缺點。采用適當的合成工藝并調控好其化學組成，制得的過渡金屬氧化物摻雜GA復合材料有望同時具有二者的優點，因此這類材料成為儲能設備電極材料的研究熱點之一。
　　本論文分別利用直接水熱合成法或浸漬法并結合冷凍干燥或焙燒工藝，先后制備了幾種過渡金屬氧化物摻雜GA的復合材料，利用諸多手段對其進行了表征，并較詳盡地考察了其作為超級電容器電極材料時的電化學性能，主要工作如下：
　?。?）以乙酸錳和氧化石

3、墨烯（GO）為前驅物，分別以聚乙二醇6000和氫氧化鈉為活性劑和礦化劑，采用一鍋煮直接水熱合成法結合冷干工藝，成功制備了Mn3O4納米粒子摻雜GA（Mn3O4@GA）復合材料。結果表明，Mn3O4顆粒均勻分散于GA的3D結構中；當電流密度為0.5 Ag-1時，該復合材料的比容量高達408.5 Fg-1，并呈現出較好的倍率性能和循環穩定性能，1 A g-1的電流密度下循環2000次后，其比容量仍保持初始值的96.81％。
　?。?）

4、以硝酸鈷和GO為前驅物，以尿素為活性劑，采用一鍋煮直接水熱合成法結合冷干及焙燒工藝，成功制備了Co3O4納米粒子摻雜GA（Co3O4@GA）復合材料。結果表明，Co3O4@GA比表面積高達463.2 m2 g-1，其中球型Co3O4顆粒均勻分散于GA中；當電流密度為1 A g-1時，所得復合材料比容量高達673.4 F g-1，遠遠高于單純Co3O4（296.1 F g-1），并呈現出優異的倍率性能和循環穩定性能，1 A g-1的電流密

5、度下循環2000次后，初始比容量僅降低3.00%。
　?。?）以高錳酸鉀和GO為前驅物，采用在酸性體系中一鍋煮直接水熱合成法結合冷干及焙燒工藝，成功制備了MnO2納米粒子摻雜GA（MnO2@GA）復合材料。結果表明，MnO2@GA復合材料具有豐富的孔結構和較大的比表面積（SBET=196.6 m2 g-1）；當電流密度為0.5 A g-1時，MnO2@GA的比容量（379.7 F g-1）明顯高于單純MnO2（101.3F g-1

6、），并呈現出較好的倍率性能和循環穩定性能，0.5 A g-1的電流密度下循環2000次后，初始比容量僅降低3.87%。
　?。?）以GO為原料，采用直接水熱還原法結合冷干工藝，成功制備了單純GA。進而將其分散于硝酸鎳乙醇溶液中，借助浸漬、焙燒工藝將NiO納米粒子摻雜其中，制得NiO@GA復合材料。結果表明，與單純NiO（SBET=16.6 m2 g-1）相比，該復合材料表現出更大的比表面積（SBET=104.1 m2 g-1）；當

7、電流密度為0.5Ag-1時，NiO@GA的比容量高達893.1F g-1，并呈現出較好的倍率性能和循環穩定性能，0.5 A g-1的電流密度下循環2000次后，初始比容量保持率為97.5%，遠遠高于相應的單純NiO（初始比容量保持率為69.3%）。
　?。?）以硝酸銅為前驅物，采用與上述NiO@GA相似工藝，制得CuO@GA復合材料。結果表明，柱狀CuO顆粒較均勻地分散于GA中，與單純CuO（SBET=0.6m2g-1）相比，該復