[00112182]多孔网络石墨烯复合材料的制备及储能应用

1、任务来源 本课题是郑州轻工业学院博士基金项目,编号为2010BSJJ029 2、应用领域与技术原理 随着环境污染的日益严重,研发新能源和新材料显得尤为重要。超级电容器作为一种高效、实用、环保的能量储存正日益成为各国科学家的研究热点,由于它具有较大的容量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命且对环境无污染,可以广泛应用于包括电子器件,储存备份系统,工业电力,能源管理,公共交通和军事设备,超级电容器还将是下一代全电动车的重要器件。 电极材料作为超级电容器最为关键的部分,也是决定其性能的主要因素,开发具有优异性能的电极材料是超级电容器的研究中最核心的课题。 石墨烯的团聚对其有效比表面积有严重影响,从而影响石墨烯的电化学性能。因此,样品的制备尤为关键。本项目采用分离剥层的方法制备出了多孔网络石墨烯,另外,通过在多孔石墨烯还原过程中加入金属纳米粒子和聚苯胺纳米棒,制备出了高能量储存密度的多孔网络石墨烯复合材料。 3、性能指标完成情况 在1msV/s的扫描速率下,相比于纯石墨烯,多孔石墨烯材料混合电极的比电容值385F/g得到大幅提高。材料展示出优秀的电化学稳定性,在5000次循环放点后的电容仍能达到165F/g。 项目已按期完成了计划书内容,发表SCI论文5篇,申请发明专利一项,实验指标达到预期。 4、与国外同类技术比较 石墨烯（Graphene）是2004 年被发现的二维碳原子晶体．具有比碳纳米管更为优异的电学性质,以及良好的导电性和化学稳定性,这使得其可以成为比碳纳米管更好的电子或空穴传递的多功能材料。近年来．利用石墨烯独特的电学性质对一些材料进行修饰以及制备性能更好的复合新材料是当前的研究前沿。本项目在国际上首次采用插层和还原的方法制备多数为多孔网络石墨烯复合材料,取得了良好的实验效果,得到了高质量的电极材料。在1 mV /s 的扫描速率下,相比于国内外其他报道,我们制备出的多孔网络材料的电容值大幅提高。 5、成果的创造性、先进性 本项目组围绕石墨烯在超级电容器中的应用这一重要课题,从石墨烯复合材料的制备、表征、电化学性能测量、实验结果分析等方面展开系统的研究。本项目组采用的一步水热方法使金属锡纳米颗粒在石墨烯片表面生长,从而有效避免了石墨烯片的聚合。利用这一方法,我们又成功制取了高质量的石墨烯聚苯胺复合材料。应用于纯电动汽车的电池充电等领域,性能获得极大地提高。上述研究内容,在样品制备方法、表征手段、实验结论分析等方面都具有很强的创新性。 6、作用意义 从石墨烯及相关纳米复合材料的制备、表征、电化学性能测量、实验结果分析等方面展开系统的研究,旨在通过技术手段在样品制备过程中尽量避免石墨烯的团聚,从而获得高性能的石墨烯材料,为石墨烯电极材料在超级电容器中的应用提供技术支持。 7、推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进措施 项目研究了石墨烯及其与金属、聚合物复合,通过在制备过程中采用插层、活化等技术,形成了多孔网络状石墨烯材料,有效避免了石墨烯的重新堆垛和团聚,为石墨烯在储能领域的应用提供了技术支持。上述研究成果已经用于指导企业的一线生产当中,明显提高了产品的工作性能,取得了良好的经济效益 制备的石墨烯复合材料具有较高的比表面积、高的电导率和储能特性,在超级电容器等储能领域具有更高的比电容和优异的循环稳定性,除了能够较好的应用于超级电容器,还有望能够广泛应用于充电电池等电化学储能器件,是新一代纯电动汽车理想的电极材料。 1. 进一步简化样品制备流程,减低应用成本。下一步应用研究过程中,将进一步简化制备工艺和制备流程,优化制备条件。 2. 石墨烯材料的能量存储性能仍有进一步提升空间。石墨烯电极材料的电化学性能很大程度上依赖石墨烯的比表面积。理想的单层石墨烯的比表面积可高达2630m2 g-1 ,它预示着石墨烯电极材料的电化学性能仍有很大的提升潜力,因此,改进技术,优化石墨烯的制备工艺,获得高性能石墨烯电极材料,将是下一步继续研究的关键。