三维生物质石墨烯水凝胶的制备及其电化学性能研究材料工程专业论文.docxVIP

三维生物质／石墨烯水凝胶的制备及其电化学性能研究摘 三维生物质／石墨烯水凝胶的制备及其电化学性能研究 摘 要 超级电容器由于其具有高功率密度、高倍率性能、快速的充放电过程以及使用寿命 长在电化学储能装置方面应用前景广阔，受到了科研工作者广泛关注。通常增加能量密 度，并且不牺牲其功率密度和循环寿命是研究超级电容器的热点之一，而电极材料是获 得高性能超级电容器的关键因素之一。赝电容材料能够发生氧化还原反应提供高的赝电 容，但是其循环稳定性和倍率性能较差；双电层电容电极材料则表现出较低的比电容， 但其倍率性能和循环稳定性较好。结合两种材料的优点形成高性能超级电容器复合电极 是目前研究的热点。生物质具有低价、可再生、容易获取以及环境友好等优点，并且在 它们结构中含有大量电活性基团，利用电活性基团的氧化还原反应能够实现能量的存储， 但是由于生物质材料的导电性较差。本文引入生物质(木质素磺酸钠和单宁酸)作为新 型赝电容材料，引入石墨烯作为导电基质与生物质形成三维多孔复合材料，研究它们的 电化学性能。具体研究内容如下： (1)利用木质素磺酸钠(Lig)与氧化石墨烯(GO)混合液经一步水热过程制备 木质素磺酸钠／石墨烯复合水凝胶(Lig．GH)。探讨了GO与Lig投料比、水热温度和水 热时间对LINGO体系形成复合水凝胶以及水凝胶电极电化学性能的影响，得出最佳成 胶条件和最佳电化学性能水凝胶：投料比GO：Lig=3：4、水热温度180℃和水热时间12 h形成完整圆柱状水凝胶；合成复合水凝胶在l A／g电流密度下比电容达到549．5 F／g， 在20 A／g超高电流密度下1000次循环寿命保留率达83．7％。 (2)利用单宁酸(TA)与氧化石墨烯(G0)混合液经水热组装制备单宁酸／石墨 烯(TAG)复合水凝胶。探讨了GO与TA投料比和水热时间对TAG复合水凝胶电化学 性能的影响。TAG最佳电化学性能条件为：投料比GO：TA=3：5、水热温度180℃和水 热时间12 h；合成复合水凝胶在l A／g电流密度下比电容达到373．6 F／g，在20 A／g超高 电流密度下1000次循环寿命保留率达81．8％。 (3)TA／GO体系中分别引入Ni2+、Cu2+和Fe3+三种金属离子，经水热组装制备不 同形貌的单宁酸／石墨烯复合水凝胶。探讨了TA与金属离子的摩尔比对单宁酸／石墨烯 水凝胶形貌结构和电化学性能的影响。金属离子对TAG复合材料结构具有有效地调控 作用，TAGni形成了均匀清晰的三维多级孔结构；TAGcu形成了鳞片状的规则堆叠结构， 复合片层通过卷曲和交联形成三维多孔结构：TAGF。形成了花瓣状结构，并且每朵花瓣 之间连接在一起形成独特的多孔结构。当投料比GO：TA=3：5，水热温度180℃，水热 时间12 h的条件时，摩尔比分别为：TA：NiCl2=0．6(TAGNi)、TA：CuCl2=0．5(TAGcu) II 万方数据 硕士学位论文和TA：FeCl3=0．8(TAGF。)。合成TAGNi、TAGcu和TAGF。复合水凝胶在1 硕士学位论文 和TA：FeCl3=0．8(TAGF。)。合成TAGNi、TAGcu和TAGF。复合水凝胶在1 A／g的电流密 度下比电容值分别为412．4 F／g、460．4 F／g、429．4 F／g；在超高电流密度20 A／g下1000 充放电循环得出TAGNi、TAGcu和TAGF。三个电极电容保留率分别为90．8％、91．7％和 96．7％。 关键词：生物质木质素磺酸钠单宁酸石墨烯水凝胶结构调控超级电容器 III 万方数据 三维生物质／石墨烯水凝胶的制备及其电化学性能研究Abstract 三维生物质／石墨烯水凝胶的制备及其电化学性能研究 Abstract Supercapacitors are received tremendous attention because of their high power density, fast charging／discharging processes，long cycle life，high rate capability and superior safety performance．Generally,for practical applications，it is essential to increase the energy density of supercapacitors，without sacrificing the device of power density and cycle life．The key to achieving high performance supercapacitor is to explore novel e