多孔石墨烯的制备及其在超级电容器中的应用研究

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21世纪,电子移动设备逐渐融入了我们日常生活,为我们提供了诸多便利。但其储能设备—锂电池的功率密度较低,限制了电子移动设备的进一步发展,超级电容器作为一种高功率密度的储能设备,具有可以快速充放电,工作温度范围宽等诸多优点,有望应用在电子移动设备中。多孔石墨烯是基于石墨烯构建出的新型碳材料,其不仅保持了石墨烯的优良特性,而且可以避免由于石墨烯纳米片的团聚导致的性能下降,另外,其多孔结构引入大量的活性位点可以加速电子的传输,作为超级电容器电极材料是具有极大的应用前景。本文主要完成的内容如下:(1)多孔石墨烯的制备及其物理,电化学性质的研究:采用了催化刻蚀法,通过加入乙酸银作为催化剂催化刻蚀氧化石墨烯(graphene oxide,GO)从而制备出多孔还原氧化石墨烯(holey reduced graphene oxide,hr GO),通过改变催化剂乙酸银的加入量,实现对孔径的大小的调控,成功制备出了不同孔径的hr GO,其孔径范围涉及微孔,介孔和大孔。并对上述材料的物理及电化学性质进行了探讨。(2)多孔石墨烯在超级电容器正负极的应用研究:利用r GO和各种孔径的hr GO作为电极材料,在-1 V-0 V的较负电位范围下构建出了双电层电容器;在-0.2 V-0.8 V的较正电位范围下,通过在溶液中加入了[Fe(CN)6]3-/4-构建出了赝电容器,并且采用循环伏安法(CV)和恒电流充放电技术(GCD),对比了r GO和不同孔径的hr GO的电容性能。结果发现刻蚀孔后,hr GO的双电层性能和赝电容性能均得到提高,其中孔径为20nm的hr GO-2材料的双电层电容性能和赝电容性能最佳。(3)多孔石墨烯在非对称超级电容器中的研究:利用多孔石墨烯同时作为正负极材料,在负极构建双电层电容,在正极通过加入[Fe(CN)6]3-/4-构建出赝电容,并通过在负极使用不同孔径的hr GO,制备出了五种非对称超级电容器,并对其性能进行了研究,结果发现,通过多孔石墨烯构建的非对称超级电容器均具有一个较高的能量密度和功率密度,当正极负极均为hr GO-2时,电容器的性能最佳,在实际应用领域具有广阔的前景。
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