石墨烯复合材料在超级电容器中的应用研究

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超级电容器作为一种新型储能器件,其充放电效率高、比电容大、循环稳定性好且绿色环保,成为近年来的研究热点。石墨烯具有较大的比表面积,良好的力、电、光、热学性能,在诸如传感器、锂电池、催化剂、超级电容器等领域有着广泛的应用。聚苯胺是一种有机导电聚合物,石墨烯/聚苯胺复合材料用于超级电容器电极材料时,会产生赝电容效应使其电极性能有较大的提高。本论文致力于开发一种制备方法简单、高效,电化学性能优异的石墨烯/聚苯胺复合材料电极,取得的主要进展如下:1.本论文采用三种改良的Hummers法制备了氧化石墨,将它们记为GO-1、GO-2和GO-3。区别在于GO-1的氧化时间最长,GO-3的氧化剂用量最少,GO-2的氧化时间和氧化剂用量在二者之间。根据检测结果发现,GO-2法制备的氧化石墨片层间距适中,结构有序性较好,所带的羟基、羧基、环氧基等官能团较多,综合考虑其结构和形貌,GO-2法制备的氧化石墨有利于与聚苯胺复合制备氧化石墨烯/聚苯胺复合材料。2.本论文采用不同的氧化剂原位聚合合成聚苯胺,L-PANI法中氧化剂为过硫酸铵,与苯胺单体的物质的量比为1:1,W-PANI法中氧化剂为二氧化锰,与An的质量比为1:1。其中,L-PANI法合成的聚苯胺呈短棒状结构,孔径分布均匀,没有发生严重的层叠现象。将GO-2法制备的氧化石墨粉体在盐酸中分散形成氧化石墨烯分散液,采用L-PANI法制备氧化石墨烯/聚苯胺复合材料。对该复合材料进行了红外光谱分析、X射线衍射分析、扫描电镜分析和热重分析,结果表明聚苯胺分布在氧化石墨烯片层的边缘,有新的C-N-C生成。3.采用普通化学还原法和水热还原法及不同的还原剂对氧化石墨烯/聚苯胺复合材料进行还原,两种方法分别记为HrG/PANI和SrG/PANI。通过红外光谱分析、X射线衍射分析、扫描电镜分析和热重分析发现,两种方法都能够较好的将氧化石墨烯中含氧官能团还原,由于SrG/PANI法得到的复合材料在高温高压下进行,复合材料结构被破坏,综合考虑,HrG/PANI法要比SrG/PANI法得到的复合材料的性能更好。4.本论文将普通化学还原得到的石墨烯、L-PANI法合成的聚苯胺和HrG/PANI法还原得到的石墨烯/聚苯胺复合材料制备成电极,在三电极体系下测试它们的循环伏安特性和交流阻抗性能。结果显示在10mV/s的扫描速率下,石墨烯/聚苯胺复合材料电极的比电容有所提高,达到74.64F/g。
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