碳基納米復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用于超級電容器

發(fā)布時間：2020-05-07 21:05

【摘要】：時代的發(fā)展需要消耗大量的能源,然而化石燃料的不可再生性和污染性使得開發(fā)出具有快速充放電、綠色環(huán)保和循環(huán)穩(wěn)定性好的新型能源設(shè)備顯得尤為重要。超級電容器兼有傳統(tǒng)電容器倍率性能好和電池能量高的優(yōu)點,使得全球各國都對其進行大力研究。電極材料是超級電容器中最重要的元素,所以發(fā)展新的電極材料尤為重要。目前超級電容器的電極材料主要是碳材料和導(dǎo)電聚合物。這兩種電極材料都各自的優(yōu)缺點,當(dāng)它們單獨用作電極材料時,碳材料具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和循環(huán)穩(wěn)定性好的優(yōu)點,但其比電容過低;導(dǎo)電聚合物雖能大幅提高比電容,但其循環(huán)穩(wěn)定性差,會嚴(yán)重影響使用壽命。為了獲得高性能的超級電容器,我們嘗試將碳材料(如石墨烯、泡沫碳)與聚苯胺制備納米復(fù)合材料,構(gòu)建了三種新型超級電容器,具體內(nèi)容如下:1.石墨烯一體電極簡單、快速的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用:本工作通過電化學(xué)活化的方式制備了高度分層的石墨烯一體電極(AG)。采用掃描電鏡、拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜、X射線粉末衍射和X射線光電子能譜等技術(shù)和電化學(xué)方法來表征AG材料。著重研究了不同電活化時間對該電極電化學(xué)性能的影響。在電活化時間為120 s時,AG材料發(fā)生高度分層,且表面形成大量的三維褶皺結(jié)構(gòu),從而提高AG材料的比表面積以及電化學(xué)性能。實驗結(jié)果表明,基于AG材料制備的超級電容器在電流密度為0.5 mA cm~(-2),其比電容可達到314mF cm~(-2)。在電流密度為10 mA cm~(-2)時,超級電容器循環(huán)5000圈后,比電容仍能保持為原來的86%,說明制備的超級電容器具有良好的循環(huán)壽命。2.聚苯胺/共價有機框架/石墨烯納米復(fù)合材料的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用:首先通過電化學(xué)剝離制備具有三維石墨烯結(jié)構(gòu)的一體電極(EG),然后在其表面上負載共價有機框架材料(COF-LZU1)形成COF-LZU1-EG一體電極,最后在其表面經(jīng)電化學(xué)聚合聚苯胺得到PANI-COF-LZU1-EG一體電極,用于構(gòu)建高性能的超級電容器。采用掃描電鏡、拉曼光譜和X射線光電子能譜等技術(shù)對所獲得的材料進行表征。結(jié)果表明,COF-LZU1能夠均勻負載在三維石墨烯一體電極上,提高了材料的比表面積。聚苯胺以三維多孔的結(jié)構(gòu)負載在COF-LZU1-EG一體電極上,有利于增加材料的比電容和循環(huán)性能。該電極材料在掃描速率為10 mV s~(-1)時,比電容可高達3748.3 mF cm~(-2),遠遠超過其他基于聚苯胺制備的超級電容器。3.基于聚苯胺/碳納米管/三維多孔碳復(fù)合材料的超級電容器的研究:首先將三聚氰胺泡沫浸泡鈷鹽中,然后經(jīng)高溫碳化得到碳納米管包裹的三維多孔碳框架材料(CNT-CF),進一步負載聚苯胺后獲得PANI-CNT-CF應(yīng)用于超級電容器。碳納米管包裹在三維多孔碳框架的骨架上,不僅提高了材料的導(dǎo)電性,還為進一步負載聚苯胺提供了支撐,大大提高了PANI-CNT-CF的比電容。實驗結(jié)果表明,該電極材料在電流密度為1 mA cm~(-2)時,比電容為1791.4 mF cm~(-2)。在電流密度為3 mA cm~(-2)時,比電容能夠保持在原來的90%以上,說明該材料作為電極材料應(yīng)用于超級電容器時具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。
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