石墨烯包覆分子筛复合电极材料的制备及其性能研究

以4A分子筛(4A)和改进Hummers法制备的氧化石墨烯凝胶(GO)为原料, 按一定质量比进行混合超声分散, 以混合分散液为前驱体煅烧制备了氧化还原石墨烯(RGO)包覆的三维复合4A/RGO电极材料。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、孔径分析、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等方法研究了复合材料的结构、形貌及超级电容性能。测试结果表明, 4A均匀地穿插在RGO片层中, 阻止了RGO片层之间相互堆积, 而RGO片层之间相互链接, 形成三维空间导电网络, 提高了复合电极材料的导电性。当GO与4A质量比为1:6时, 复合材料在4 A/g电流密度下比电容可达450 F/g, 在此电流密度下循环800次后, 其比容量保持率为85.7%, 表现出良好的倍率性能和循环稳定性。该4A/RGO复合电极材料超级电容性能优于纯4A或RGO, 可归因于4A和RGO之间的协同效应。     

石墨烯/MnO2纳米片复合薄膜的制备及其超级电容性能研究

采用两步界面组装法制备石墨烯/MnO₂纳米片(GMTF)三维复合薄膜电极，研究了复合薄膜的电化学性能。结果表明，MnO₂的赝电容和石墨烯的双电层电容相互协调，使得GMTF复合薄膜材料比单一的MnO₂纳米片或者石墨烯材料具有更佳的电化学性能。在三电极体系中，GMTF电极的比电容在5mV/s时达156.54mF/cm²,远高于石墨烯(40.24mF/cm²)和MnO₂纳米片(69.03mF/cm²)。此外，在两电极体系中，基于GMTF复合薄膜的固态超级电容器也显示出较高的面积比电容(120.49mF/cm²)和质量比电容(204.22F/g)、优良的循环性能。在功率密度为39mW/cm³时，能量密度能够达到1.735mWh/cm³。     

超级电容器用CeO_2-MnO/3D石墨烯复合材料的制备

以西瓜瓜瓤为碳源,采用两步碳化法制备三维石墨烯(3D-Fiberbased Graphene,3D G)材料,并使用水热法制备了CeO_2-MnO/3DG复合材料,以期获得比电容高,循环寿命好的石墨烯超级电容器电极材料。结果表明:3DG材料具有较高比表面积,最高可达到332m~2·g~(-1)。CeO_2-MnO/3DG复合材料具有三维导电网络结构,金属氧化物颗粒在石墨烯片层间生长均匀,粒径在10nm左右。电化学测试结果显示:在0.5 mol·L~(-1)的Na_2SO_4溶液中,电流密度1A·g~(-1),当摩尔比MnO∶CeO_2=4∶1,复合负载量在80%时得到的CeO_2-MnO/3D G复合材料拥有最高比电容,达308.5F·g~(-1),经过1 000次循环充放电测试比电容保持率为95.5%。CeO_2-MnO/3DG复合材料电化学性能的提高主要是因为两种金属氧化物复合负载与石墨烯的协同作用。     

智能包装系统用石墨烯基超级电容器的制备

目的 制备具有优异电化学性能的石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰复合纤维水系超级电容器。方法 采用超声波分散处理制备氧化石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰混合纺丝液;运用湿纺纺丝工艺制备氧化石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰杂化纤维电极;通过氢碘酸还原和冷冻干燥处理构建具有多孔结构的石墨烯/纳 米纤维素/二氧化锰复合纤维电极;最后,将其组装成两电极水系超级电容器。结果 在石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰复合纤维中,纳米纤维素的添加有效抑制了石墨烯片层的自聚集,并显著提升了复合纤维的亲水性和拉伸强度。二氧化锰的加入显著提升了纤维电极的电化学性能。得益于精心的实验设计,石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰复合纤维的拉伸强度为338 MPa。组装后的水系超级电容器具有优异的电容性能和循环稳定性,在电流密度为0.1 mA/cm2时,面积电容为412.5 mF/cm2,循环1500次后,电容保持率为87%。结论 将切实可行的湿法纺丝策略与精心设计的电极结构相结合,制备的石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰水系超级电容器为可穿戴便携式储能设备和智能包装能源供应系统的发展提供了良好的参考。     

ZnCo2O4及ZnCo2O4/rGO复合材料的制备与电化学性能

采用一步水热法制备尖晶石型钴酸锌(ZnCo_2O_4)及钴酸锌/石墨烯(ZnCo_2O_4/rGO)复合材料,通过XRD,SEM和RST5000电化学工作站对材料的组分、表面形貌及电化学性能进行表征。通过改变水热温度,制备出具有辐射状花簇团结构、褶皱片层结构和表面光滑的球体结构的ZnCo_2O_4电极材料。结果表明:加入石墨烯后,ZnCo_2O_4呈规则的多边形结构,附着在石墨烯片上,两者的协同作用可有效改善电极材料的电化学性能;钴酸锌与氧化石墨烯的质量比为6∶1时得到的ZnCo_2O_4/rGO复合材料的比电容为205F/g,比纯ZnCo_2O_4的比电容提升了约114%。     

纤维素纳米纤丝-还原氧化石墨烯/聚苯胺气凝胶柔性电极复合材料的制备与性能

利用高长径比的纤维素纳米纤丝（CNF）与片层结构的氧化石墨烯（GO）形成的CNF-GO复合水凝胶经抗坏血酸还原制备出CNF-还原氧化石墨烯（rGO）复合水凝胶材料。通过冷冻干燥法得到CNF-rGO复合气凝胶,并进一步通过苯胺单体在CNF-rGO复合气凝胶的孔道内原位聚合制备出CNF-rGO/聚苯胺（PANI）气凝胶柔性电极复合材料。研究了不同苯胺、CNF和GO的质量比对CNF-rGO/PANI气凝胶柔性电极复合材料的结构形貌和电化学性能的影响。结果表明,苯胺原位聚合后所得CNF-rGO/PANI复合气凝胶仍具有紧密的三维多孔网络结构。与rGO/PANI气凝胶电极复合材料相比,CNF-rGO/PANI气凝胶电极复合材料具有更理想的电容行为。当CNF与GO质量比为60∶40,PANI添加量为0.1 mol时,CNF-rGO/PANI气凝胶电极复合材料比电容可达85.9 Fg-1,且其电化学性能几乎不受弯曲程度的影响,展现出了良好的柔韧性和电化学性能。      

对苯二酚增强纤维素/石墨烯电极的制备

目的 以纳米纤维素气凝胶为骨架,对苯二酚为增强相,并加入还原氧化石墨烯,制备纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合电极薄膜,将其应用于超级电容器。方法 采用超声处理制备纳米纤维素/氧化石墨烯混合溶液;在高温高压的环境下,加入对苯二酚,采用水热合成法和冷冻干燥法制备纳米纤维素/还原氧化石墨烯气凝胶,并最终制成电极膜。结果 在纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合气凝胶中,石墨烯可将纳米纤维素均匀包裹,形成三维多孔网络结构;纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合电极具有良好的电化学性能,在1 mol/L的H2SO4溶液中,当电流扫描速率为1 mA/cm2时,超级电容器比面积电容高达1.621 F/cm2,且在2000次循环测试后,电容保留率为88.3％。结论 以纳米纤维素为基体制备的纳米纤维素/还原氧化石墨复合电极具有良好的电化学性能,可以用作超级电容器电极。     

石墨烯基柔性超级电容器复合电极材料的研究进展

近年来,便携式和可穿戴电子设备呈现出跨越式发展,为了使可穿戴电子器件更加灵活、轻巧、智能并完全实现产品化,就需进一步探求与之匹配的具有薄、轻、柔特点的储能装置。超级电容器由于具有功率密度高、循环寿命长、机械强度高、安全性好和易于组装等优点,受到研究者的广泛关注。然而,传统的超级电容器一旦受到外力发生变形,储能特性会极大降低甚至丧失。电极材料是电容器的核心部分,因此研制出高柔韧性和储能特性出众的电极材料是有必要的。石墨烯因具有大比表面积,优异的力学、电学性能而成为用于柔性超级电容器的有吸引力的电极材料。赝电容材料可提供高比电容,但其导电性差、稳定性低,因此研究者将石墨烯与赝电容材料相融合作为电极材料,充分发挥各自优势,不仅克服了石墨烯片层间易团聚的缺点,还可提高柔性超级电容器的整体能量密度。由于二维石墨烯片层易堆叠,电子传导能力受到限制,目前更多的研究工作致力于三维多孔网状结构的石墨烯材料。本文突出介绍了石墨烯的两个重要角色:(1)与电化学活性物质复合作为活性材料;(2)作为沉积活性物质的导电柔性基体。因此,功能多样化的石墨烯在制备柔性电极中有很大的潜力。通过化学沉积、浸涂、水热等工艺将具有高电导率的石墨烯直接作为柔性基底,或与赝电容材料键合附着在柔性基体上,制备基于石墨烯的柔性电极材料。本文介绍了超级电容器的储能原理和石墨烯在柔性超级电容器领域的应用状况,着重总结了石墨烯/过渡金属氧化物、石墨烯/导电聚合物复合电极材料在柔性超级电容器方面的研究进展;解析了柔性超级电容器电极材料仍然面临的挑战,并对其未来的发展进行了展望。     

石墨烯/聚吡咯复合材料制备及应用研究进展

具有独特二维纳米结构的石墨烯可为电子转移提供通道,使其复合材料具有优良的电容性能。聚吡咯(PPy)因具有超电容性能、聚合电位低和空气稳定性好等优点,常作为理想型电极材料。综述了原位化学氧化聚合法和电化学沉积法2种石墨烯/PPy复合材料的制备方法,以及石墨烯/PPy复合材料在超级电容器、微波吸收、燃料电池催化剂和传感器等电化学方面的应用现状,并展望了石墨烯/PPy复合材料的未来发展方向。     

石墨烯/聚吡咯导电复合材料超级电容器电极的制备研究

超级电容器与锂电池相比具有更高的循环稳定性以及更高的能量密度。提高超级电容器电极材料化学稳定性,增大离子吸附比表面积,以获得更好的电化学性能,成为超级电容器研究领域的热点。以湿化学还原法制备的石墨烯为基底,采用原位电化学沉积法制成了石墨烯/聚吡咯导电复合材料超级电容器电极。通过扫描电子显微镜(SEM)对电极的微观形貌进行了观察,利用电化学工作站对组装的超级电容器电化学性能进行了系统表征,同时探讨了沉积浓度和沉积时间对电化学性能的影响。结果表明,在0.2 mol/L吡咯溶液中沉积时间为22.5 min制备出的石墨烯/聚吡咯导电复合材料电极的比电容可达388 F/g,表现出优良的超级电容器电化学性能。     

石墨烯/聚吡咯导电复合材料超级电容器电极的制备研究

超级电容器与锂电池相比具有更高的循环稳定性以及更高的能量密度。提高超级电容器电极材料化学稳定性,增大离子吸附比表面积,以获得更好的电化学性能,成为超级电容器研究领域的热点。以湿化学还原法制备的石墨烯为基底,采用原位电化学沉积法制成了石墨烯/聚吡咯导电复合材料超级电容器电极。通过扫描电子显微镜(SEM)对电极的微观形貌进行了观察,利用电化学工作站对组装的超级电容器电化学性能进行了系统表征,同时探讨了沉积浓度和沉积时间对电化学性能的影响。结果表明,在0.2mol/L吡咯溶液中沉积时间为22.5min制备出的石墨烯/聚吡咯导电复合材料电极的比电容可达388F/g,表现出优良的超级电容器电化学性能。     

三维石墨烯的可压缩性能及在超级电容器中的应用

以氧化石墨烯为原料,通过水热反应和高温焙烧过程制备了三维石墨烯柱状体材料。采用机械力学测试方法分析三维石墨烯的可压缩性能,将其作为超级电容器的电极材料测试其电化学性能。结果表明,三维石墨烯呈多孔网状结构,具有良好的可压缩性能和机械性能。电极片厚度为2 mm,铝塑外包尺寸为5 cm×6 cm的对称超级电容器在电流密度为0.1 A/g下比电容为175 F/g,在电流密度为1 A/g下充放电循环10 000次后比电容保持率为81.9%。在加载不同大小压力压缩状态下,其保持了良好的电容性能。     

纳米碳材料负载过渡金属氧化物用作超级电容器电极材料

与传统能量存储设备相比,超级电容器因具备比电容高、充放电快、绿色环保并且循环稳定性能优异等优点,在移动通信、电动汽车、国防和航空航天领域具有广阔的应用前景,已成为世界范围内的研究焦点。其中,超级电容器的电极材料是其性能的决定因素,常见的超级电容器电极材料包括碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物等。不同的电极材料的电荷储存机理不同,过渡金属氧化物具有典型的赝电容行为,依赖可逆的氧化还原反应和化学吸附/脱附过程来储存电荷,理论比电容高。然而,过渡金属氧化物同时存在导电性能差,循环稳定性不佳的缺点。碳材料主要表现双电层电容特性,依靠材料表面和电解质离子间的可逆物理吸附/脱附过程储存电荷,具有优异的倍率性能,符合实际生产和应用中对于超级电容器器件高寿命的要求,但其自身比电容相对较低。与单一属性的材料相比,复合材料往往表现出更加优异的电化学性能,大量的研究表明,过渡金属氧化物与碳材料的复合是解决上述问题的有效途径。碳材料因具有来源丰富、价格低廉、质量轻盈、比表面积高以及热稳定性好与电化学性能稳定等优点,日益受到重视,是构建赝电容电容器电极的首选基底材料。碳材料结构多样,近年来,零维的碳量子点、碳球,一维的碳纳米管、碳纳米纤维,二维的石墨烯、氧化石墨烯,三维的石墨烯泡沫、碳泡沫/海绵等均被成功地用于构建碳基复合电极材料,并取得了丰硕的成果。零维碳纳米材料具有高比表面积,提供了调节多孔性的灵活度,可以获得适合各自电解质溶液的最优化条件。一维碳纳米结构一般具有高长宽比和良好的电子传输性能,可以促进超级电容器电极的电荷转移。二维碳纳米结构具有比表面积大与导电性高、力学性能优良等特点,具备潜在赝电容行为,并且能增强超级电容器电极间的充放电反应动力学。利用三维导电材料作为模板,沉淀赝电容材料,可以构建高性能超级电容器电极。本文概述了不同维度碳材料负载过渡金属氧化物作为赝电容的电极材料及其电容性能,并对电极材料储能方面存在的不足和未来的研究方向做出了总结和展望,以期为制备性能优良、环境友好和高寿命的超级电容器提供参考。     

碳化氧化石墨烯/壳聚糖超级电容器电极复合材料的制备及表征

采用Ar氛烧结碳化法在600℃、700℃、800℃及900℃下制备了基于氧化石墨烯（GO）/壳聚糖复合材料的超级电容器电极材料。通过XRD、SEM、FTIR及循环伏安等电化学手段,系统评价了碳化的GO/壳聚糖复合材料作为超级电容器电极材料的可能性。通过与文献报道的纯壳聚糖碳化材料的相关性能进行比较,结果表明：碳化GO/壳聚糖复合材料力学性能较纯壳聚糖碳化材料提高约67%,而且具有良好的电容器材料的性质。800℃碳化GO/壳聚糖复合材料样品的比电容达131 F/g,1 500次充放电后比电容保持率达97%。     

层状双金属氢氧化物及其复合材料的制备与应用研究新进展

随着社会经济的发展,能源短缺和环境污染问题越来越显著,探索电解水获得氢能、超级电容器的研究和水中污染物离子的处理逐渐受到人们的广泛关注。电催化分解水制氢需要高效的电催化剂,超级电容器需要具有优异电化学性能的电极材料,水中有毒污染离子的去除也需要高效低廉的吸附剂。而层状双金属氢氧化物(LDH)体现出多方面的特性,如记忆效应、良好的催化性能、阴离子交换性、酸碱性以及热稳定性等,有望用于解决上述问题。LDH具有优异的性能,而且成本较低,组成结构可调控,层间可以进行插层反应。然而,LDH的电子传输能力差,会降低其电化学性能;在合成时易团聚,电导率低且催化活性也不高。LDH的制备方法多种多样,可通过改进LDH的合成方法,将LDH和各种功能材料进行复合来解决这些问题。近年来,研究者们将LDH原位生长在各种导电载体上,以提高LDH的导电性;开发纳米合成技术,将合成的LDH剥离出纳米片或直接在导电基上垂直定向生长出二维LDH纳米片,使有利于催化反应的活性位点大量暴露在材料表面,从而提高其催化活性;将LDH与石墨烯复合,使超级电容器电极材料的比电容增大,导电性和循环稳定性增强,并且还可以提升LDH对CO_2的吸附能力,使LDH广泛用于解决能源危机和环境污染问题。本文综述了几种LDH的制备方法及其复合材料的合成方法,归纳了LDH及其复合材料近年来在催化、储能以及环境保护中的应用。对LDH在电催化水氧化和光催化方面的应用分别做了介绍,然后阐述了LDH材料在超级电容器和处理水体污染等环境问题方面的应用。     

聚吡咯/石墨烯复合导电材料的制备及性能表征

利用电化学合成和化学还原方法制备了超级电容器用聚吡咯/石墨烯(PPy/GNs)复合电极材料,分别对比了恒电流和脉冲电流条件下石墨烯对电极材料电化学性能的影响,断口形貌及电性能测试结果表明,石墨烯因其良好的导电性能可有效提高电极的比容量,与聚吡咯(PPy)相比,恒电流制备的PPy/GNs(DC-PPy/GNs)电极比容量提高了13.5%。另外发现,脉冲电流制备的PPy/GNs(PC-PPy/GNs)超级电容器具有更大的比容量和更好的循环稳定性。导通时间为100ms时,PC-PPy/GNs复合电极材料在100mV/s的扫描速率下比容量可达280F/g。     

绿色高效制备电化学性能优异的多孔石墨烯电极材料

电极材料的性能决定超级电容器的储能特性,因此研究优异电极材料的制备方法是提高其储能特性的重要前提。多孔石墨烯(Porous graphene)作为新型的碳材料具有比表面积大、电导率高等优点,是一种理想的双电层电容器电极材料。本工作制备的多孔石墨烯材料微孔和中孔都很发达,孔径分布更为合理,因此其比表面积相较于原始的石墨烯有了很大的提高。经检测该材料的比表面积为1 417.65 m²·g-1,并且能够提供较高的电化学双电层电容,经测试由该材料组装成的扣式超级电容具有31.7 F·g-1的比容量且具有优良的导电特性。此外,在电流密度1 A·g-1下循环10 000次后材料比电容保持率为78%。这些电化学测试结果表明本研究制备的多孔石墨烯在超级电容器的能量存储方面具有较好的应用前景。     

RuO_2/石墨烯纳米复合材料的合成及其电化学性能

通过水热反应和高温焙烧方法制备了负载RuO_2纳米粒子的石墨烯纳米复合材料(RuO_2/G)。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TGA)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构和形貌进行了表征。结果表明,在复合材料中,平均粒径为3.6nm的RuO_2纳米粒子均匀地负载在石墨烯片层上。该材料作为超级电容器的电极材料,表现出了良好的电容性能。当RuO_2的质量分数为35%时,在6mol/L KOH电解液中,复合材料的比电容为402.5F/g,且表现出了较高的能量密度(14 Wh/kg)和功率密度(50 W/kg)。该复合材料体现了石墨烯双电层电容和RuO_2赝电容的性质,为性能优异的储能材料。     

ZnFe_2O_4纳米粒子-石墨烯复合材料制备和超级电容器性能

为提高ZnFe_2O_4的电化学性能,采用一步溶剂热法合成ZnFe_2O_4纳米粒子-石墨烯复合材料,对其进行X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜表征和电化学性能分析。结果表明:该方法可防止二维层状结构石墨烯团聚,把ZnFe_2O_4颗粒粒径控制在纳米级且均匀地附着到石墨烯片层上;复合材料呈现二维层状结构,比表面积达到180 m~2/g,有效增加活性位点数量;当电流密度为1 A/g时,复合材料电极的比电容达到180.9 F/g,电化学性能优于纯ZnFe_2O_4电极。     

纳米MoS2及MoS2-RGO纳米复合材料的制备与电化学性能研究

高性能电极材料的开发是推广新型储能器件的核心所在。二硫化钼(MoS_2)呈现类石墨烯结构,其二维层间具备良好的电荷储存能力。然而MoS_2本身导电性能较差,用于电极材料时需要与其它材料复合以提升导电性能。采用水热法,并分别选用抗坏血酸和硫脲作还原剂,制备得到两种不同形貌结构的纳米二硫化钼。以石墨烯为模板,采用水热法在石墨烯表面生长纳米结构MoS_2,制备得到二硫化钼-还原氧化石墨烯(MoS_2-RGO)纳米复合材料,通过循环伏安测试(CV)和恒电流充放电测试(CP)考察了复合材料的电化学性能。实验结果表明,MoS_2-RGO纳米复合材料呈现平面双电层电容性能,电流密度为1 A/g时,其比电容值达136.2 F/g。