石墨烯在超级电容器电极材料中的应用-毕业论文（设计）.docVIP

石墨烯在超级电容器电极材料中的应用 （西北师范大学化学化工学院 化学测试中心） 摘要 石墨烯具有巨大的表面体积比和独特的高导电性等特性，石墨烯及其复合材料在电化学领域中有着诱人的应用前景。本文综述了石墨烯，超级电容器电极材料，石墨烯在超级电容器域中应用的研究现状，展望了石墨烯材料在电化学领域应用的未来发展前景。 关键词　石墨烯 超级电容器电极材料 应用 发展前景　 石墨烯在超级电容器电极材料中的应用 1石墨烯 图1 石墨烯作为基本单元构筑其他石墨化碳材料的示意图 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料[1]。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光[4]；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体更高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料[1]。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。 2 超级电容器电极材料 目前应用于超级电容器的电极材料有3种：炭基材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。炭基材料电化学电容器能量储存的机理主要是靠炭表面附近形成的双电层，因此通常称为双电层电容。而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容：在这里，我们主要介绍炭基材料及金属氧化物材料。 2.1炭基电极材料 炭材料具有粉末、块状、纤维状、布、毡等多种形态[25]，具有以下独特的物理和化学性质，包括： (1)高电化学导电性 (2)高比表面积(3000 m2．g-1) (3)很好的防腐性能 (4)高热稳定性 (5)可控的孔结构 (6)可调的表面化学性质 (7)复合材料具有兼容性且易加工 (8)廉价易得 因为具有以上多种形态及特点，炭材料被广泛的用作超级电容器的电极材料。炭材料能在不同的溶液中(从强酸到强碱)保持化学性质的稳定，并且能在较宽的温度范围下工作。炭材料的多孔结构决定了离子的传输，且孔道内电解液离子的迁移率和EDLC的性能密切相关。由炭材料表面上的官能团决定的炭材料的表面湿度是影响电容器性能的另一个因素。在这些因素中，最重要的就是要达到比表面积和孔径分布的一个平衡点。 2.2金属氧化物 最初的金属氧化物材料主要采用氧化钌或氧化铱等贵金属氧化物，其中Ruo2是赝电容器具有代表性的材料。 用热分解氧化法制备的Ru02薄膜电极，其单电极比容量为380 f.g。Zheng等运用溶胶凝胶法低温制备所得的无定形水合电极材料Ru02-xH20其比电容高达720f.g[28].尽管贵金属具有较高的比电容，但是其昂贵的价格和强烈的毒性以及对环境的污染限制了它们的广泛使用。然而，一些廉价的过渡金属氧化物也具有与Ru02相同的功能，这些氧化物包括Mn02，Niox等，其中Mn02因其价廉易得、无毒、储量丰富、对环境友好等特点引起了广大科研工作者的关注[29]。 2.3导电聚合物材料 导电聚合物(conducting polymer)又称导电高分子，是指通过掺杂等手段，能使得电导率在半导体和导体范围内的聚合物。通常指本征导电聚合物(intrinsic condcuting polymer)，这一类聚合物主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系。π电子的流动产生了导电的可能性。没有经过掺杂处理的导电聚合物电导率很低，属于绝缘体。其原因在于导电聚合物的能隙很宽（一维半导体的不稳定性），室温下反键轨道（空带）基本没有电子。但经过氧化掺杂（使主链失去电子）或还原掺杂（使主链得到电子），在原来的能隙中产生新的极化子、双极化子或孤子能级， 其电导率能上升到10~10000 s/cm2，达到半导体或导体的电导率范围 3石墨烯在超级电容器电极材料中的应用 碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料,石墨烯是碳质材料的一种。自成功制备出石墨烯以来，人们开始探究这种sp2结构的碳质材料在超级电容器中应用的可能性。超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系，具有功率密度大、容量大、使用寿命长、经济环保等优点，被广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯拥有大的比表而积和高的电导率，不像多孔碳材料电极要依赖孔的分布，这使它成为最有潜力的电极材料。 3.1 石墨烯基电极材料 单层石墨烯的比表面积高达2630m2 / g, 比活性炭还要大很多, 有望替代活性炭用于制备双电层电容器。Ruo ff 等[ 21]用肼还原氧化石墨烯制得的化学改性石墨烯制成