多孔石墨烯的制备及其在超级电容器中的应用

采用催化刻蚀法,制备出作为一种大比表面积、高导电性的、已被广泛用作超级电容器的二维碳电极材料。石墨烯的多孔材料由于其多孔结构能够加快离子的扩散,使得比电容进一步增加,增强了其双电层电容性能。多孔还原氧化石墨烯(hrGO),并将其用作超级电容器的电极材料。同时利用透射电子显微镜、X射线电子能谱和电化学技术对制备出的hrGO进行表征。利用循环伏安法和恒电流充放电技术对比了未刻蚀孔的还原氧化石墨烯(rGO)和hrGO的超级电容性能。当电位在-1～0 V范围内时,hrGO的比电容要大于未刻蚀的rGO的比电容,当扫速为10 mV/s时,其比电容可达到33 mF/cm~2;当电流密度为0.2 mA/cm~2时,hrGO的比电容仍要大于未刻蚀的rGO的比电容,与循环伏安测试中得到的结论一致。在充放电达到3 000次循环后,比电容保持在初始值的87%。上述结果表明该方法制备的多孔石墨烯具有良好的超级电容性能,适用于超级电容器负极材料。     

超级电容器活性炭电极循环伏安特性

针对活性炭电极超级电容器性能偏低的问题,依据双电层电容器工作原理,以活性炭、乙炔黑、质量分数为15%的聚四氟乙烯、异丙醇为原料,采用粉末压片技术,制备了活性炭质量分数分别为60%、65%、70%、75%和80%的超级电容器电极材料。通过扫描速率分别为5 mV/s、10mV/s、20 mV/s、50 mV/s、100 mV/s和200 mV/s的循环伏安测试,分析了活性炭电极的比电容、比能量和比功率。结果表明,当活性炭质量分数为70%、扫描速率为5 mV/s时,比电容为189.3 F/g,比能量为26.3 W·h/kg;当活性炭质量分数为70%、扫描速率为20 mV/s时,比功率为916.6 W/kg。确定了电极材料中活性炭的最优配比为70%,为基于活性炭电极的超级电容器制备提供了重要参考。     

碳基有机电解液超级电容器性能研究

为了提高碳基有机电解液超级电容器的容量，对电容器电极中的导电剂、粘结剂含量以及电极成型压力对超级电容器的比容量的影响进行了研究．通过对等效电路和交流阻抗图谱的模拟分析，研究了电极电阻、极化电阻、扩散电阻、双电层电容、极限容量等参数与导电剂、粘结剂含量的关系．确定了导电剂和粘结剂的最佳含量．对优化后使用组装的超级电容器，采用循环伏安和恒电流充、放电的方法，对超级电容器的工作电压、容量、循环寿命、漏电电流进行了测量．结果表明：该超级电容器工作电压可达到3V，电容器的比容量可达到31．78F／g，电容器循环5000次以后，容量衰减1．26％．     

石墨烯化石墨/聚苯胺电极的制备及电容特性

通过电解剥落得到的表面石墨烯化的石墨电极(graphene layers/graphite plate, GL/GP)为基底,在硫酸介质中以苯胺为单体,采用循环伏安法(cyclic voltammetry, CV)制备了表面石墨烯化的石墨/聚苯胺(graphene layers/graphite plate/polyaniline, GL/GP/PANI)电极,并探究聚合圈数对GL/GP/PANI电极比电容的影响。利用场发射扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)对电极材料的形貌进行表征。在0.5 M H₂SO₄电解液中,对合成的电极材料进行循环伏安、恒电流充放电(chronopotentiometry, CP)和电化学稳定性测试。结果表明,在表面石墨烯化的石墨电极上合成的PANI具有棒状结构,电流密度为0.085 mA/cm²时, GL/GP/PANI电容器的比电容可达1 042.8 F/g。提供了一种新的超级电容材料基底电极的构建方式。     

功能化石墨烯超级电容器电极材料的制备及性能

通过水热法制备氨基功能化改性石墨烯(NFG)和还原氧化石墨烯(RGO)。利用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对制备材料的形貌和结构进行表征;利用循环伏安法、恒电流充放电和电化学交流阻抗技术对NFG和RGO的超级电容器性能进行测试。在放电电流密度为1 A/g时, NFG和RGO分别在1 mol/L的H_2SO_4溶液中的比电容为307 F/g和134 F/g。经过2 000次循环充放电后, NFG和RGO的比电容分别为初始值的97.7%和95.5%,结果表明制备的超级电容器电极材料具有优异的充放电性能和循环稳定性。     

四氧化三锰/石墨烯超级电容器的制备及分析

为了最大程度上保留石墨烯的晶格结构以提高其电导并简化过渡金属氧化物与石墨烯复合物的制备过程,通过氢电弧放电和简易的高温处理成功制备得到四氧化三锰/石墨烯纳米复合材料,并将其用作超级电容器的电极.通过XRD、Raman光谱和TEM对产物的形貌、结构及成分进行了表征.电化学测试结果表明,由该材料制得的超级电容器具有良好的电容性质、出色的电化学稳定性(循环3 000圈后大约保持96%)以及较低的等效串联电阻.同时,四氧化三锰的掺入可使其比电容提高到纯石墨烯电极的3倍.因此,此方法为制备以新型石墨烯复合过渡金属氧化物作为高性能超级电容器电极的研究提供了新思路.     

石墨烯量子点在超级电容器导电剂中的应用

为研究石墨烯在超级电容器中的导电效果,将石墨烯量子点(GQDs)代替商品化导电炭黑(CB)用作新型纳米尺寸(~10 nm)的导电剂,分别采用直接液相复合和热还原复合方式制备具有良好导电网络的AC-G和AC-HG系列电极,并考察两种复合方式对活性炭电极结构特性与双电层电容性能的影响.结果表明:添加1%GQDs的AC电极呈现出优异的比电容和倍率性能,当电流密度从0.1 A/g增加到10 A/g,其比电容由110 F/g降到85 F/g,明显优于添加10%CB的AC电极(100 F/g降为65 F/g);热处理过程大幅去除了GQDs所带含氧官能团,AC-HG电极的电子电导率提高而离子电导率降低,因此其倍率性能略有下降,但循环稳定性大幅提高.     

平面微型超级电容器石墨烯电极制备与表征

为了研究化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯电极性能,通过对CVD工艺参数的改进,成功地制备出了符合全固态平面微型超级电容器离子传输机制所需要的石墨烯薄膜电极。对比相同生长时间,不同甲烷浓度的石墨烯薄膜的性能;对比相同甲烷浓度,不同生长时间的石墨烯薄膜性能。结果表明,温度1 000℃、甲烷流量35 sccm、氢气流量10 sccm、生长时间60 min时,制备出的石墨烯薄膜质量和性能最好。此时石墨烯薄膜具有较低的薄膜方阻(60.28Ω/sq-155.75Ω/sq),厚度为1.25 nm。为平面微型超级电容器的进一步研究提供了重要参考。     

磷掺杂还原氧化石墨烯/聚苯胺复合水凝胶的制备及性能研究

石墨烯/聚苯胺复合材料作为超级电容器的自支撑电极材料具有巨大的潜力。以磷酸为磷源的水热还原法制备磷掺杂还原氧化石墨烯(P-rGO)水凝胶,再以P-rGO水凝胶为基质在3种溶剂(正己烷、水和四氯化碳)中负载聚苯胺,合成磷掺杂还原氧化石墨烯/聚苯胺(P-rGO/PANI)复合水凝胶。利用X射线衍射、扫描电子显微镜表征产物的微观形貌与结构,运用电化学工作站测试该材料的电化学性能。以1 mol/L的H₂SO₄溶液为电解质,经过1 000圈循环测试后,材料的比电容保持率均为81%以上,表明其有作为超级电容器电极材料的潜质。该研究为开发出低成本、高性能的超级电容器电极材料提供了实验依据和理论指导。     

氮掺杂石墨烯凝胶的制备与表征

为了拓展石墨烯凝胶在超级电容器方面的应用,采用氨水、水合肼作为还原剂和掺杂剂,通过与氧化石墨烯的水热反应制备了氮掺杂石墨烯凝胶,并采用X射线光电子能谱,元素分析、扫描电子显微镜对产物的结构与微观形貌进行表征,采用循环伏安法和计时电位法测试其电化学性能. 结果表明,在氧化石墨烯的水热反应体系中引入氮掺杂剂,不仅能得到具有三维多孔结构的有一定力学强度的凝胶,而且经过氮掺杂后石墨烯的电化学性能较纯石墨烯的有明显提高. 当扫描速率为10 mV/s时,氮掺杂石墨烯的比电容为196 F/g;当电流密度为1 A/g时,氮掺杂石墨烯的比电容达到217 F/g,当循环伏安扫描1 000圈后,电容保持率达到80%. 这表明氮掺杂石墨烯凝胶具有优异的电化学性能,在超级电容器方面有很好的应用前景.     

氧化镍/活性炭电极的超电容性能

在制作双电层电容器基础上,采用电化学沉积法,在活性炭电极表面负载氧化镍.XRD测定表明,镍氧化物以NiO形态负载于活性炭电极上.电化学性能研究表明,氧化镍/活性炭复合电极循环伏安曲线呈矩形特征,具有良好的电容特性;其交流阻抗谱由圆弧和直线组成,电化学过程受扩散和氧化镍的赝电容行为控制;其恒电流充电曲线呈直线,电容特性显著,大电流性能良好,比容量达104.7 F/g,是活性炭电极比容量的1.35倍.     

活性炭比表面积对双电层电容特性的影响

用KOH活化活性炭作为电极材料制作双电层电容器,用接触角测定其润湿性,用恒流充放电、循环伏安等方法研究活性炭的电化学性能。结果显示,炭膜浸润时间最短约为90min,双电层电容器的比电容随比表面积增加而增大。比表面积为1932m^2·g^-1的炭样在1mol·L^-1的H2SO4电解~（677mA·g^-1）中充放电最大比电容为167F·g^-1。     

液晶模板法制备Co3O4分级多孔结构薄膜和赝电容性能研究

采用液晶模板法制备Co3O4纳米薄膜,用循环伏安法和恒流充放电测试方法,表征分析其微观结构和电化学性能。结果表明:Co3O4薄膜是多晶体,呈分级多孔结构,该结构有利于电子和离子的扩散,可显著改善超级电容器的比电容,增强电容保持能力,是一种优良的超级电容器电极材料。     

液晶模板法制备Co3O4分级多孔结构薄膜和赝电容性能研究

采用液晶模板法制备Co3O4纳米薄膜,用循环伏安法和恒流充放电测试方法,表征分析其微观结构和电化学性能。结果表明：Co3O4薄膜是多晶体,呈分级多孔结构,该结构有利于电子和离子的扩散,可显著改善超级电容器的比电容,增强电容保持能力,是一种优良的超级电容器电极材料。     

氮掺杂石墨烯/聚苯胺复合凝胶的制备与性能

为了拓展石墨烯凝胶在超级电容器方面的应用,采用氨水与水合肼作为掺杂剂和还原剂,通过与氧化石墨烯的水热反应制备了氮掺杂石墨烯凝胶,并进一步运用原位聚合的方法在氮掺杂石墨烯凝胶上负载聚苯胺,得到氮掺杂石墨烯/聚苯胺复合凝胶. 利用X射线衍射、扫描电子显微镜对产物的结构和微观形貌进行表征,采用循环伏安、恒电流充放电等方法测试其电化学性能. 结果表明,氮掺杂石墨烯/聚苯胺复合凝胶与纯氮掺杂石墨烯凝胶相比,电化学性能有显著的提高. 当扫描速率为10 mV/s时,复合凝胶的比电容约为500 F/g;在恒电流充放电实验中,当电流密度增加到10 A/g时,复合凝胶的比电容仍然保持在约400 F/g. 当循环伏安扫描1 000圈后,比电容的保持率达到80%. 这些表明氮掺杂石墨烯/聚苯胺复合凝胶拥有突出的电化学性能,也表明了氮掺杂石墨烯/聚苯胺在超级电容器方面将会有很好的应用前景.     

溶胶-凝胶法制备超级电容器纳米电极材料

采用溶胶-凝胶法制备超级电容器用纳米氧化锰电极材料。借助X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)手段对样品进行测试和表征。结果显示产物的主晶相是-γMnO2。粒径分布均匀,约在20 nm左右。在2 mol/L(NH4)2SO4水溶液中,电位窗口为0.1—0.8 V(vs.SCE)范围内,通过循环伏安实验,显示出氧化锰复合电极具有较好的电容特性。     

SnS/MWNT复合材料的制备及其超级电容器性

采用高能球磨法制备了SnS纳米颗粒,并同多壁碳纳米管MWNT组合得到SnS/MWNT复合超级电容器电极材料。运用X射线衍射和扫描电镜对SnS/MWNT复合材料进行了物相分析和形貌观察。对SnS/MWNT复合电极的循环伏安测试表明：随着SnS/MWNT复合电极中SnS的含量增大,SnS/MWNT复合电极的比电容逐渐增加。当SnS含量为80%时,比电容达到最大值62.5 F/g。恒流充放电测试中,不同配比SnS/MWNT复合电极的比电容在初始几个电化学循环中均有明显下降,随后保持良好的稳定性。同循环伏安结果一致,在SnS含量为80%时,SnS/MWNT复合电极的比电容最大。这主要归因于SnS在可逆氧化还原过程中产生的赝电容以及MWNT良好的导电性。     

基于MXene气凝胶的微型超级电容器

刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相陶瓷粉末得到单层和少层的Ti₃C₂T_x MXene纳米片，通过低温（-50 ℃）冷冻干燥，制备了具有多孔结构的Ti₃C₂T_x气凝胶（Ti₃C₂T_x aerogel）。利用光刻胶技术，在滤纸上刻出叉指状电极阵列，然后以Ti₃C₂T_x气凝胶为电极活性物质构建了全固态微型超级电容器（mSC）。电化学测试表明，当电流密度为0.5 mA/cm²时，基于Ti₃C₂T_x气凝胶的微型超级电容器的面积电容达到77.90 mF/cm²，是相同条件下纯Ti₃C₂T_x MXene微型超级电容器的4.17倍。功率密度和能量密度分别为0.29 W/cm3和9.89 （mW·h）/cm³，循环1 000次电容保持率为91.6%。因此，该高性能的微型超级电容器在柔性微电子器件中显示出巨大的应用潜力。     

无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及性能

以低成本的无尘纸为基底吸附氧化石墨烯,再通过水热处理得到还原氧化石墨烯,最后将苯胺原位聚合到无尘纸@还原氧化石墨烯上,制备得到无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料。运用循环伏安法、恒电流充放电法、阻抗法等测试该复合材料的电化学性能。结果表明,与无尘纸@还原氧化石墨烯相比,无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的电化学性能有显著提高,在扫描速率为20 mV/s时,比电容达到280 F/g。基于无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料组装的电容器有良好的柔性,充电后可点亮白色LED灯。因此,具有柔性与电容性能的无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料能用于超级电容器领域。     

不同活化方式制备碳电极材料的电化学性能

以碳化后的中间相沥青为原料,分别采用化学活化和物理-化学联合活化工艺制备了超级电容器用活性炭电极材料,对不同活化方式制备的活性炭电极材料的微晶结构、孔径分布、比电容量、循环伏安和交流阻抗特性进行了比较。实验结果表明：采用物理-化学联合活化工艺制备的活性炭电极材料具有更理想的微晶结构和中孔含量。活性炭电极材料的结构与孔隙分布对电性能有明显影响,采用联合活化方式制备的电极材料具有较高的面积比容量、较好的功率特性及较理想的电容特性。