多孔石墨烯/聚苯胺/Co3O4超级电容器电极材料制备(2)

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2.3.3 扫描电子显微镜 15

2.3.4 热重分析 15

2.3.5 电化学工作站分析 15

2.4 制备GO-PANI 16

2.5 表征GO-PANI 16

2.6 水热法制备G-PANI-Co3O4 16

3 结果与讨论 18

3.1 红外光谱 18

3.2 X射线衍射 19

3.3 扫描电子显微镜 20

3.4 热重分析 21

3.5 电化学工作站分析 22

4 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 25

致谢 26

参考文献 27

1 绪论

1.1 课题背景

随着经济和科技的飞速发展，人们对能源的需求正在不断增大。煤炭，石油等能源的快速消耗增大了环境的负荷，同时促使人们对能源利用进行深入探究以减轻环境破坏以及全球气候变暖等诸多问题。在过去的几十年里，人们不断开发出风能，水能，太阳能，生物化学能等一系列新能源，这些清洁能源的开发降低了传统能源的消耗，对节能减排起到了积极的作用[4]。各种新能源的开发与利用提升了对能量存储与转换的要求。超级电容器具备快速充放电、循环使用寿命长、使用成本低的特点，具有广泛的应用前景。

超级电容器在很多重要领域都有着极大应用，例如电动汽车，电网以及航空航天领域。随着对便携式和可穿戴式储能系统的需求日益增长，柔性超级电容器获得了人们越来越大的研发兴趣[1]。

由单层石墨原子或几个石墨原子层组成的石墨烯有着很多特殊的性质，例如高比表面积，高导电性能，高力学性能，但同时也意着高建设成本。因此，石墨烯也被认为是最好的柔性电极候选材料之一。学界也投入了极大精力于设计石墨烯，使之成为各种柔性材料：石墨烯纸，石墨烯凝胶，透明电极等各种物质。但是，由于石墨烯有很强的π-π作用使之具有团聚性[2]，这让石墨烯有大片的表面面积无法被充分的利用，这也影响了石墨烯的充放电速率。为了克服石墨烯片团聚的问题并在超级电容器中获得更高的倍率性能，多种三维石墨烯散状物料已被研制出来。

总的来讲，三维石墨烯含有疏松多孔且孔与孔相同的结构，这种结构能防止石墨烯各层之间的团聚作用发生。但是也有报告指出，如果不添加传递基质，高柔性三维多孔石墨烯薄膜能直接被用作电极几乎是不可能的。因此，维持石墨烯的柔性和防止其发生自团聚反应依旧是科学界的一大难题[3]。

1.2 超级电容器原理

超级电容器由三部分组成：电极、隔膜和电解液。电解液与电极直接接触，隔膜能让电解质通过，同时分隔两电极以防短路。充电时，电解质中正电荷穿过隔膜富集于阳极，负电荷穿过隔膜富集于阴极，电荷吸附于电极表面形成电荷层，电极材料内部也会因为电荷的积累形成双电层，能量以双电层的形式存储[5]。如果电极中加入金属氧化物，则会发生氧化还原反应，能量进一步以化学能的形式存储，相比之下电容量也会更大。放电过程中，随着电极内部电荷减少，电极内积累的电荷发生脱附反应，电荷回到电解液中，同时随着氧化反应的进行，化学能重新转化为电能[6]。