新型多孔碳/多层石墨烯复合碳材料的制备及其在超级电容器中的应用研究
目前，多孔碳材料的制备及其在储能器件中的应用已受到广泛关注和大量研究。多孔碳材料因具有物理和化学稳定性、多孔性、导电性、价廉易得等优点被认为是双电层超级电容器的理想电极材料。然而，目前多孔碳材料的制备技术一般比较复杂，本文使用传统的化学气相沉积（CVD）技术，分别以镍片和泡沫镍为催化金属制备由非晶碳和石墨烯组成的复合碳膜和三维泡沫复合碳材料，复合碳材料具有高的导电性、高强度和大的比表面积，特别适用于作为超级电容器的电极材料。电化学测试结果表明超级电容器具有较大的比电容、超宽的频率范围、超快的速率和高的功率密度。具体研究内容如下： 首先，使用CVD技术以镍片为衬底，以甲烷为碳源成功制备出由非晶碳膜和石墨烯组成的复合碳膜。利用场发射扫描电子显微镜（FSEM）、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射仪（XRD）对复合碳膜的微观结构进行表征。结果表明所制备的复合碳膜中非晶碳膜具有多孔结构，其孔径尺寸在几十纳米范围，石墨烯为多层石墨烯。该复合碳膜制备技术简单，易于控制，所制备的复合碳膜中的多孔非晶碳膜和多层石墨烯可整体或者分开转移至任何基底上。另外，所制备的复合碳薄膜可直接作为电极应用于超级电容器中，通过测试循环伏安、恒流充放电、交流阻抗谱等，得到其具有很好的可逆性、稳定性和很高的速率，在扫描速率为50mV/s时有490?F/cm2的较大的面积比电容。 然后，使用CVD技术以泡沫镍为衬底，以甲烷为碳源气体成功制备出由非晶碳和石墨烯组成的三维泡沫复合碳材料。通过对复合碳材料的微结构表征（FSEM、TEM、Raman和XRD等），发现复合碳材料的结构可以通过生长温度进行调控。①在低温区（<620℃），所制备的碳材料为三维泡沫多孔碳，但由于多孔碳的结构强度比较弱，所制备出的泡沫碳材料极易塌陷，最后得到多孔非晶碳薄膜；②在中温区（625~700℃），可制备出由多孔非晶碳和石墨烯组成的三维泡沫复合碳材料，该复合碳材料主要是三维多孔泡沫碳，而在泡沫多孔碳表面覆盖不连续的多层石墨烯片；③在高温区（>700℃），可以制备出三维泡沫中空石墨烯，并且在中空石墨烯内表面附着有非高结晶度的碳，整个复合碳材料类似于泡沫镍结构，几乎无塌陷。 最后，把三维泡沫碳材料直接组装成对称超级电容器，并利用电化学工作站研究其电化学性能。结果表明：所组装的电容器都具有很好的电化学性能，即：超高的速率，较宽的频率范围，很好的稳定性、可逆性以及较大的比电容。在高温区所制备的三维泡沫多孔碳具有较高的面积比电容，其中最大的是在700℃的生长温度下制备出的三维泡沫复合碳材料，达到703?F/cm2（扫描速率为20mV/s）。而塌陷的非晶碳的面积比电容最小，在扫描速率为20mV/s时为119?F/cm2。其原因是由于相对高温区制备的复合碳材料，低温区制备的三维泡沫结构塌陷以及缺失与石墨烯的复合使其导电性较差。
多孔碳材料;石墨烯;化学气相沉积;泡沫镍;超级电容器
华中科技大学
硕士
材料物理与化学
魏合林
2015
中文
TM53;TB383
66
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）