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《哈尔滨工业大学》 2019年
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多孔石墨烯及MXene基复合薄膜的构筑和体积比电容性能研究

樊志敏  
【摘要】:便携式电子设备已成为我们日常生活中不可或缺的消费品,显然这些设备中的小型化储能器件需要在尽可能小的空间内储存更多的能量,这就意味着重量比电容并不是最重要的评价参数指标,而是体积比电容性能。通常超级电容器电极优异的体积比电容性能需要其重量比电容和密度能同时达到较理想的值,但大多数电极的重量比电容和密度之间的关系是矛盾对立的,从而导致低的体积能量密度。本论文以具有丰富多孔结构的多孔石墨烯以及自身拥有高体积比电容性能的类石墨烯材料(MXene)作为基体,通过设计调控并优化多孔石墨烯与导电聚合物和MXene之间的构建方式,使制备出的电极材料具有紧凑的连贯孔隙结构,并致力于从纳米尺度上深入探究电极体积比电容性能参数的影响因素以及规律,同时揭示离子在电极材料中的传输机理。将氧化石墨烯、双氧水和吡咯采用简单的一步水热和机械压缩的方法制备出自支撑的多孔石墨烯/聚吡咯复合薄膜,通过控制双氧水和吡咯的用量来调节石墨烯表面纳米孔大小以及复合物层间的孔隙结构,进而实现了具有致密连贯孔结构的电极材料构筑。结果表明这种电极材料具有优异的体积比电容和倍率性。在此基础上,对多孔石墨烯水凝胶进行氮掺杂处理,诱导聚苯胺以纳米颗粒状的形式生长在多孔石墨烯表面,再通过机械压缩以及毛细收缩的处理过程,实现了兼具结构致密且孔通道为连贯互通网络的氮掺杂多孔石墨烯/聚苯胺薄膜的可控构建。结果表明这种电极材料的重量比电容和体积比电容分别可达730 F g~(-1)和1058 F cm~(-3),从而克服了在同一电极中不能同时实现优异重量比电容和体积比电容的缺点。利用水分子作为牺牲模板成功构筑出三维结构的MXene气凝胶,研究了压缩强度对MXene气凝胶的孔隙结构、密度、电导率以及电化学性能的影响机制。此外,采用静电自组装的方法将Fe(OH)_3纳米粒子作为牺牲模板引入到MXene片层间,构筑出层间具有连贯互通孔结构且致密的MXene薄膜,重点研究了引入的孔隙结构以及热处理温度对电极材料体积比电容的影响。最终所构筑的电极材料体积比电容为1142 F cm~(-3),并且当电极负载量高达11.2 mg cm~(-2)时其体积比电容仍然能维持至749 F cm~(-3)。考虑到多孔氧化石墨烯和MXene表面所呈现出的负电性,特将两者混合均匀后用氢氧化钠进行改性处理,随后通过抽滤以及低温热处理就能得到改性MXene/多孔石墨烯复合薄膜。考察多孔石墨烯的嵌入以及用量对MXene层间孔隙结构和密度的影响机制,实现了具有超高体积比电容(1445 F cm~(-3))、优异倍率性以及高电极活性材料负载量为一体的电极材料可控构建。本论文所采用的设计思路以及构筑出的电极材料不仅仅只局限于超级电容器,而且广泛适用于其它需要高体积比电容性能的储能器件。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM53;TB383.2

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