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摘 要

超级电容器作为一类新型储能装置，具有充放电性能良好、绿色环保等优点，而电极材料作为超级电容器的主要组成部分直接决定其性能的好坏。层状金属氢氧化物由于有原料易得、孔道结构独特等优势受到广泛关注，但其导电性能较差。而石墨烯导电性能良好、电子迁移率高。将二者复合，实现优势互补，从而提高电极材料的性能。本文采用水热法制备了掺氮石墨烯-Ni(OH)₂纳米复合材料，研究了其制备工艺和电化学性能，并通过扫描电子显微镜、循环伏安法、交流阻抗、恒电流充放电等对其进行了结构表征和电学性能分析。结果显示，通过pH值、温度等调控可以有效控制Ni(OH)₂在石墨烯表明的形貌。在充放电测试中，在1.0A/g电流密度下该复合材料的放电比电容可达到180.2 F/g。

关 键 词：超级电容器，氢氧化镍，掺氮石墨烯，复合材料，电化学性能

Abstract：As a new type of energy storage device, supercapacitor has the advantages of good charge-discharge performance, green environmental protection and so on. The electrode material directly determines the performance of supercapacitor. Layered metal hydroxides have the advantages of easy availability of raw materials and unique pore structure, but their electrical conductivity is poor. And graphene has good conductivity and high electron mobility. The two materials are combined to achieve complementary advantages, thus improving the performance of electrode materials. In this paper, nitrogen-doped graphene Ni(OH)₂ nanocomposites were prepared by hydrothermal method. The preparation process and electrochemical properties of the nanocomposites were studied. The electrochemical properties were studied by scanning electron microscopy, cyclic voltammetry, AC impedance, constant current. Its structure was characterized and its electrical properties were analyzed. The results show that the morphology of Ni(OH)₂ in graphene can be effectively controlled by pH and temperature. The specific discharge capacitance of the composite can reach 180.2 F / g at 1.0A/g current density.

Keywords: supercapacitors, nickel hydroxide, nitrogen doped graphene, composite materials, electrochemical properties

目 录

1 绪论 4

1.1石墨烯的简介 4

1.2石墨烯的制备方法 4

1.3超级电容器分类 5

1.3.1电化学双层电容器 6

1.3.2法拉第赝电容超级电容器 6

1.4超级电容器电极材料 7

1.5课题的选题背景及研究内容 7

2 实验部分 7

2.1实验材料 7

2.2实验方法 8

2.2.1水热法制备掺氮石墨烯/氢氧化镍复合材料 8

2.3 电极材料的电容性能研究 9

2.3.1 工作电极的制备 9

2.3.2 循环伏安法测试（CV） 9

2.3.3 恒电流放电法测试 10

2.3.4 交流阻抗测试（EIS） 10

3 结果与讨论 10

3.1水热条件对石墨烯/氢氧化镍复合材料电极材料的影响研究 10

3.2镍离子负载量对石墨烯/氢氧化镍复合材料的影响 11

3.2.1不同镍离子负载量制备石墨烯/氢氧化镍复合材料SEM表征 11

3.2.2不同镍离子负载量制备石墨烯/氢氧化镍复合材料电化学表征 13

3.3不同pH条件对石墨烯/氢氧化镍材料的影响 14

3.3.1不同pH制备石墨烯/氢氧化镍SEM表征 14

3.3.2不同pH制备石墨烯/氢氧化镍电化学表征 15

结 论 18

参考文献 19

致谢 21

1 绪论

当今社会，人们对能源的需求量越来越多，导致传统化石能源日渐枯萎，产生了能源危机。作为不可再生能源，其储量有限，因此开发新型的可再生能源是很有必要的。1978年，市场上第一次出现的储能装置超级电容器^[1,2]引起热潮，因碳材料的成本低廉、稳定性好、等优点，所以普遍用于超级电容器的研究。超级电容器与传统电容器相比，在性能上明显充放电速率快、高理论电容性，具有发展前景。比如说铅蓄电池污染环境、燃料电池功率密度低等。在研究过程中，电极材料是主要的研究方向，当今兴起以石墨烯为基体的热潮。

1.1石墨烯的简介

石墨烯有独特的二维平面结构和优异的性能^[7]，在催化剂、生物传感器、能源等领域具有广阔应用前景。其相应的制备方法和性能研究引起了各方面学者的极大关注。在微观结构方面，完美的石墨烯晶体中，碳原子皆通过sp²杂化形式，形成σ共价键，呈六角形蜂窝状(结构如图1-1所示)，是一类只有单原子层厚度的二维纳米材料^[20]。

石墨烯特有的二维平面结构赋予其独特的性能，例如：机械性能好，其力学性能指标，杨氏模量极高，碳原子之间的σ共价键会在外力作用下发生形变会发生形变。由于σ共价键键能大，不容易断裂，所以其韧性好；导热性能方面，如果对石墨烯进行无序的改性处理，K值会在大的范围内变化；卓越的非线性光学性能，石墨烯可以被认为是一种“透明”导体，其对光的吸收率仅有2.3%，所以可以代替液晶作为显示材料使用，广泛应用于各类电子器件；石墨烯晶体结构^[9]的稳定使碳原子具有稳定的电学性能，受到外界干扰很小。

图 1-1石墨烯的微观结构

1.2石墨烯的制备方法

目前，通过机械剥离法、溶剂剥离法和氧化石墨还原法等方法^[18,19]，我们可以得到稳定结构的单层石墨烯。

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