论文部分内容阅读
石墨烯作为一种新型二维纳米碳材料，由于其具有比表面积大、力学强度高和导电性好等优点，是一种理想的超级电容器电极材料。尽管石墨烯超级电容器具有诸多优点，但纯石墨烯超级电容器的能量密度仍低于二次电池，因此，研究和开发更高能量密度的石墨烯超级电容器仍具有十分重要的意义。拓宽超级电容器的工作电压窗口是提高超级电容器比能量最有效的方法之一。离子液体由于具有宽的电位窗口和良好的化学稳定性等优点而被作为一种新型电解液，得到了广泛的研究。然而，石墨烯基电极材料在离子液体中的电化学行为和储能机制还有待进一步的研究。
此外，随着微机电系统(MEMS)的快速发展以及便携式电子设备、无线传感网络、柔性显示器、电子皮肤、嵌入式健康监控设备等的广泛应用，人们对储能器件提出了新的、更高的要求。储能器件不仅要具有高功率、高能量和长的循环寿命，而且要满足廉价、安全、质轻、超薄、柔软、微型化等要求。然而，传统超级电容器已经远远不能满足当前电子器件的发展需求，因此，设计和制备具有微型、质轻、超薄、柔软等特性的新型超级电容器成为当前研究的热点之一。
本论文采用多种方法制备了具有不同特性的石墨烯和石墨烯基复合材料，采用FTIR、UV-vis、Raman光谱以及XRD、XPS、SEM和TEM等技术对所制备电极材料的形貌、组成及结构进行了表征分析，研究它们作为超级电容器电极材料的电化学性能，并进一步揭示电极材料的形貌、组成及结构的差异对其电化学性能影响的规律。主要研究内容和结果如下:
1.石墨烯电极在离子液体/有机溶剂电解液中的电化学电容行为受温度、有机溶剂种类、离子液体的浓度以及组成（包括官能团的种类和支链的长度）等因素影响。
2.通过层层自组装技术制备了[GNS/TiO2]15复合多层薄膜电极和[GNS]15+[TiO2]15复合多层薄膜电极。电化学测试结果表明，与[GNS]15+[TiO2]15多层薄膜电极相比，交替自组装的[GNS/TiO2]15复合多层薄膜电极具有更为优异的电容性能:10 mV·s-1时面积比容量可达857μF·cm-2;1500次循环后容量保持率为初始容量的98％。交替自组装的[GNS/TiO2]15复合多层薄膜优越的电容性能归结于:(1)石墨烯优异的导电性，有助于TiO2颗粒之间电子的传递;(2)TiO2颗粒能够抑制石墨烯的团聚，使复合材料与电解液接触更为充分，进而提高活性物质的利用率。
3.利用简单的“刷涂-干燥”方法，制备了具有三维网络结构的石墨烯-棉布柔性电极。电化学测试结果表明，该柔性电极在6.0 M KOH电解液和2.0 MEMIMBF4/AN电解液中均具有良好的电容性能。
4.首次通过电化学沉积技术构建了石墨烯量子点基微型电容器。电化学测试表明，GQDs//GQDs对称微型电容器在0.5 M Na2SO4电解液中具有非常优越的倍率性能、快速的频率响应能力、高的比容量以及优越的循环稳定性。同时，GQDs//GQDs对称微型电容器在2.0 M EMIMBF4/AN电解液中也显示出良好的电容行为，电位窗口可达2.7V,能量密度为水系电解液的7倍。石墨烯量子点基微型电容器优越的电容性能主要归结于:石墨烯量子点高的比表面积、多的活性位点以及接触边界，有利于电解液离子在界面的吸附和脱附。
5.首次构建了GQDs//MnO2和GQDs//PANI不对称微型电容器，两者都在0.5M Na2SO4电解液中其显示出高的比容量、优越的倍率性能、快速的频率响应能力以及良好的循环稳定性。这些优越的性能归结于石墨烯量子点与MnO2、 PANI之间的协同作用。此外，采用H3PO4-PVA作为电解液构建了全固态GQDs//PANI不对称微型电容器，该全固态电容器也表现出了较好的电容性能。