微波水热合成金属氧化物/石墨烯复合材料及在超级电容器中的应用

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伴随着社会的进步,发展过程中存在的传统能源日渐枯竭问题与环境问题接踵而至,现代社会对开发与使用对环境友好无污染的新型能源(风能、水能、太阳能等)来替代传统能源的需求日益增长,因此研究开发用于储存新型能源且对环境友好的新型储能器件是替代传统能源的有效可行途径之一。超级电容器(Supercapacitors,简称SCs)因其具有高功率密度、能够实现快速充放电和长循环寿命等优点而具有深远的发展前景,除此之外它还具有较好的储能特性。但超级电容器的储能特性还有所欠缺,远达不到人们所希望高能量密度要求,因此为了提高其能量密度与整体性能,科研人员对其电极材料进行了大量研究,研究显示适合用于超级电容器电极的材料应当具有较大比表面积、较好的电子/离子电导率等特点。本文通过流程简易耗时短的微波水热技术,将金属氧化物(及金属)与还原氧化石墨烯(rGO)相结合,制备了金属氧化物(及金属)与还原氧化石墨烯复合材料,并对其用作超级电容器电极进行了研究探索。研究详细内容如下:(1)以ZnCl2,FeCl3·6H2O和氧化石墨烯溶液(GO)为前驱体溶液,使用快速高效的微波水热法一步制备了Zn Fe2O4/rGO复合材料,并对其作为超级电容器电极材料的电化学性能进行了探究。系统研究了rGO含量对Zn Fe2O4/rGO复合材料结构、形貌以及电化学性能的影响。由于还原氧化石墨烯的引入,Zn Fe2O4与rGO的协同效应使得材料电化学性能得到提升,在所制备不同rGO含量的Zn Fe2O4/rGO复合材料中,具有最合适rGO含量的Zn Fe2O4/rGO复合材料在1 A g-1的电流密度下显示出了628 F g-1的比电容,远远大于纯Zn Fe2O4纳米颗粒在1 A g-1的电流密度下表现的68 F g-1比电容。将Zn Fe2O4/rGO复合材料用于对称超级电容器,在1 A g-1的电流密度下循环2500次容量保持率为89%。(2)以RuCl3·n H2O和GO溶液为前驱体溶液,使用高效快捷的微波水热法并通过控制微波反应时间实现对生成产物的调控,一步制备了以还原氧化石墨烯(rGO)为导电载体,单质钌、氧化钌纳米颗粒附在石墨烯上的复合材料。系统研究了微波水热反应时间对生成产物的形貌、结构以及电化学性能的影响。结果表明,生成产物受到了反应时间长度的影响,在所制备的所有复合材料中,Ru O2@Ru/rGO复合材料同时具有Ru O2、Ru两种物质而具备了多样氧化还原态因此显示出了优秀的电化学性能,在三电极测试中当电流密度为1 A g-1时,比电容达到了3190 F g-1,将其用于对称型超级电容器进行循环测试,在5 A g-1的电流密度下循环了20000次容量保持率为84%。
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