石墨烯/二氧化锰复合材料的设计、制备与电化学性能研究
本论文利用不同方法制备了一系列石墨烯/二氧化锰复合材料,并研究了它们作为超级电容器电极材料的电化学性能.采用FTIR、UV-vis、Raman光谱以及XRD、XPS、SEM和TEM等技术对所制备电极材料的形貌、组成及结构进行了表征分析,利用循环伏安法、恒流充放电和交流阻抗等技术对其超级电容器电化学性能进行了分析测试.主要研究内容和结果有如下几点:
1.利用水热法制备了具有多孔结构的石墨烯,然后将其在室温下与高锰酸钾发生氧化还原反应得到了水热还原石墨烯/二氧化锰复合材料,实验结果表明所制备的复合材料保持了水热还原石墨烯的三维多孔结构,这种结构不仅有利于电解液与活性物质的接触,还有利于电荷在电化学反应过程中的迅速扩散,对其进行电化学测试表明,复合材料作为超级电容器电极的性能与单纯的石墨烯相比有大幅提高.
2.为了避免粘结剂的使用,我们制备了无支撑、柔性的"纸"状电极材料.首先我们制备了稳定的氧化石墨烯/二氧化锰稳定的分散液,然后经过真空抽滤和热处理过程最终的石墨烯/二氧化锰复合材料"纸".对此复合材料进行了电化学性能研究,结果表明复合材料在500mAg-1时比容量可达到256Fg-1,而且显示出较好的循环稳定性,证明所制备的复合材料具有良好的电化学性能.
3.在阴离子聚电解质聚苯乙烯磺酸钠(PSS)的存在下,原位还原制备了PSS修饰的石墨烯(PSS-GS),通过修饰改变了石墨烯的表面特性,使其能够在水中稳定地分散.以PSS-GS为载体,在室温下制备了PSS-GS/二氧化锰复合材料,对其作为超级电容器电极材料进行了电化学性能测试,表明其在1MNa2SO4中的比容量可达223Fg-1(0.1Ag-1),并且表现出了优异的循环稳定性.
4.以二氧化锰(MnO2)纳米片和PSS-GS为结构构筑单元,以聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)为连接剂,采用静电层层自组装技术在不同基底上成功制备了(PDDA/PSS-GS/PDDA/MnO2)n多层复合薄膜.对所制备的多层膜复合电极材料的电化学电容性能进行了研究,结果表明在电流密度为0.283Ag-1下10层膜电极的比电容可达263Fg-1,而且循环测试1000次后电容基本不变.
5.以石墨烯"纸"为可牺牲模板制备了三维多孔二氧化锰层次结构,并对其作为超级电容器电极材料进行了电化学性能测试,结果表明此材料在1MNa2SO4中的比容量可达194Fg-1(0.1Ag-1),并且电极材料经过1000次循环后,比容量基本没有减小,而且其库仑效率保持在100%,显示出良好的循环稳定性.
- 作者：
- 李章朋
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 物理化学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 杨生荣；王金清
- 关键词：
- 石墨烯；二氧化锰；复合材料；超级电容器；电化学性能
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