超级电容器用纳米氧化锌/石墨烯复合材料的制备与应用研究

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随着人类社会的发展和科技进步,人类生活水平大大提高,随之而来的能源问题变得日益严峻。为了解决能源问题,一方面是寻找新的可再生能源,另一方面是将现有能源存储和运输。储能材料的出现解决了能源时间和空间上分布不均的问题,因此储能材料的发展对人类社会的可持续发展起着至关重要的作用。常用的储能设备主要为以二次电池和超级电容器为主的储电设备。随着电子产品性能的提升,正常工作的功率越来越大,耗能越来越高,使得目前的储能器件越来越难以满足需求。电池虽然储能密度相对较高,但是存在功率小、寿命短、充电时间长等缺陷。超级电容器具有充放电快、功率大、循环性好等优点,正好可以弥补电池的不足。但超级电容器的储能密度较低,如何进一步提高超级电容器的储电性能已成为研究的关键问题。目前的电极材料中,氧化钌具有良好的储电性能,但是原料稀少,价格昂贵,从而限制氧化钌的应用范围。相比于氧化钌而言,来源较为广泛的氧化锰、氧化钴、氧化镍等物质虽然具有一定的储电性能,但是由于内阻过大,其储电性能较差,离替代氧化钌作为超级电容器的储能材料还有一定的距离。由于理想的石墨烯具有良好的电学性能,使得解决超级电容器储电性能差的问题成为可能。但石墨烯自身较易团聚和理论比电容不高,使得石墨烯在作为超级电容器储能材料的应用受到了一定限制。通过采取与其他材料进行复合的方法,可制备出石墨烯基复合材料,从而改善其储电性能。本论文从原料成本、加工工艺、环境友好性、材料稳定性等多角度考虑,采用水热法制备了纳米氧化锌和纳米氧化锌/石墨烯复合材料。在前人研究基础上,本论文重点探讨了水、水/氨水、乙醇、乙醇/水等不同溶剂环境对制备纳米氧化锌棒和纳米氧化锌/石墨烯复合材料的影响;对所得产物进行了X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)等分析和表征;将其制作成超级电容器,对其循环伏安、恒直流充放电、交流阻抗、循环稳定性相关电学性能进行了分析测试。本论文得到的主要结论如下:以NaOH、Zn(Ac)2·2H2O为主要原料,以乙醇为溶剂,配置氢氧化钠和醋酸锌的混合溶剂,然后逐步稀释,采用溶剂热法进行氧化锌的生长,制备出了纳米氧化锌颗粒;纳米氧化锌颗粒具有六方铅锌矿结构,其结晶度高,分散性较好,颗粒尺寸较为均一,经谢乐公式计算出其平均粒径为6.69nm。以NaOH、Zn(Ac)2·2H2O为主要原料,以乙醇为溶剂,将配置的氢氧化钠溶液逐步滴加到醋酸锌溶液中,采用溶剂热法进行氧化锌的生长,制备出了纳米氧化锌棒,纳米氧化锌棒具有六方铅锌矿结构,其结晶度高,分散性良好,棒的尺寸较为均一,棒的平均长度约为1μm,棒的平均直径约为40nm,棒的长径比为25:1。在制备棒状纳米氧化锌的基础上,将起始溶剂替换为含有GO的溶液,之后向其加入乙酸锌和氢氧化钾,采用溶剂热法,制备出了纳米氧化锌/石墨烯复合材料;纳米氧化锌/石墨烯复合材料中氧化锌呈棒状,氧化锌和石墨烯紧密结合,形貌较为均一,分散效果较好。以棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料为活性物质,以乙炔黑为导电剂,以聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂,制作出了超级电容器的电极材料,并将电极材料组装成超级电容器;进行了循环伏安、恒直流充放电、交流阻抗、循环稳定性测试分析。研究结果表明,所制备的纳米氧化锌/石墨烯复合材料的比电容为260F/g,大于石墨烯比电容(120F/g)和氧化锌比电容(100F/g)之和,说明两者起到了正向协同作用;经过500次循环充放电后比容量仍保持为最大比容量的91.5%,表明此种材料具有较好的循环稳定性。采用一步法制备了纳米氧化锌,并在此基础上制备了具有良好储电性能的棒状纳米氧化锌/石墨烯复合材料,该制备方法具有原料廉价、工艺方法简单、产物形貌均一的特点。本研究为石墨烯基电极材料的制备提供了新的思路和方法,为提高超级电容器电极材料的储电性能提供了新的路径。
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