基于碳纳米管-石墨烯-泡沫镍三维复合结构的超级电容器电极制备与性能

摘要

超级电容器作为一种新能源技术，在电子产品和车载电源等领域具有广泛的应用潜力，受到人们的日益重视。而电极材料是超级电容器的核心，对于超级电容器的未来发展至关重要。碳材料由于其具备比表面积大、导电性好以及低成本等特点而成为超级电容器理想的电极材料。近年来，随着富勒烯、碳纳米管和石墨烯的陆续发现，使碳纳米材料成为当今的热门研究领域。其中，碳纳米管-石墨烯杂化结构，拥有优良的面外电荷输运性能，并保持了原有构建单元的单体特征，有效地解决了一维碳纳米管和二维石墨烯的热与电子传输的方向依赖性和较低的面外传导性，呈现出优异的协同效应是一种具有极大发展潜力的新型能源材料。我们课题提出通过两步CVD法制备出碳纳米管-石墨烯-泡沫镍（CNT-graphene-Ni）三维结构，对其表面的化学性质、功能化、电化学性能和潜在应用进行了初步的探索。在本论文中，我们以CNT-graphene-Ni为电极平台，通过温和化学沉积方法和电化学沉积方法，在碳纳米管-石墨烯杂化材料上（主要为碳纳米管上）负载MnO2和PANI等法拉第电容材料，构建金属氧化物或导电聚合物、碳纳米管和石墨烯的多级结构，对MnO2和PANI等活性物质的负载量及纳米结构进行优化，取得了较好的进展，具体成果如下：
　　1.以泡沫镍（Ni foam）作为基底，无水乙醇作为前驱体，通过两步化学气相沉积过程制备CNT-graphene-Ni三维复合材料，再通过温和化学沉积法，在CNTs的表面负载一层MnO2，制备出 MnO2-CNT-graphene-Ni三维复合材料。该电极材料拥有碳材料良好的导电性和金属氧化物较大的比电容等优点，采用了两电极测试体系对复合材料的电容性能进行测试，其比电容值达251 F/g。同时，将此复合材料制成柔性电容器，充电后能够点亮LED灯，经过电化学测试发现也具有很好的电容性能。
　　2.除了将金属氧化物与碳材料复合提高电容外，还可以利用导电聚合物具备高比电容值这一特点，将其与碳纳米材料复合。在 CNT-graphene-Ni电极平台上，我们采用电化学沉积的方法制备出PANI-CNT-graphene-Ni电极材料，并研究不同电沉积时间对材料形貌和性能的影响。三电极测试体系测试结果表明该复合材料作为电极材料具备良好的超级电容器性能，在电流密度为2.0 A/g下的比电容值最大可达219 F/g。

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1超级电容器

1.2三维石墨烯简介

1.3碳纳米管和石墨烯三维复合材料简介

1.4碳材料/金属氧化物复合材料在超级电容器中的应用

1.5碳材料/导电聚合物复合材料在超级电容器中的应用

1.6本论文的研究思路

第二章 MnO2-CNT-graphene-Ni三维复合电极材料的制备及其在超级电容器的应用

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4全固态超级电容器的制备及测试

2.5本章小结

第三章 PANI-CNT-graphene-Ni三维复合电极材料的制备及其在超级电容器的应用

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢