NiO@Ni(OH)2GNSs的制备及电化学性能研究毕业论文
2020-04-18 20:05:05
摘 要
自两次工业革命之后，随着人类文明的不断发展，人们对能源的需求日益增高，新型、高效的清洁能源的研发已经迫在眉睫，超级电容器这一电容器也逐渐从各大实验室走入大众的视野中。作为21世纪的新型储能设备，相较于以往旧式的储能装置，它有着储量大、电流传输迅速、清洁高效等诸多优势。人们通过不同材料之间的复合来研究和调控这种新型电容器的性能，其中有一种便是用石墨烯纳米片和NiO、Ni(OH)2进行复合制备。
石墨烯作为当今材料界无机材料中的佼佼者，自诞生之初，就以其优异的性能博人眼球，十几年间一直是人们研究的热门。它不仅导热导电快，在比表面积、力学性能这些方面也很有优势。
本文采用石墨烯纳米片作为电极材料的基体，将NiO和Ni(OH)2负载到纳米片表面，实验方法为二步水热法，采用微波水热法进行加热，在不同时间和温度下制备出复合电极材料。并且对最终产物用X射线衍射仪、透射电镜以及扫描电镜进行表征，研究和分析不同温度和时间下，最终产物形貌的变化。最后通过电化学性能测试，得到反应进行的相对充分，形貌和性能相对较好，也具有较高的比电容的最终产物数据。
关键字：石墨烯纳米片 超级电容器材料 微波水热法 NiO和Ni(OH)2
Preparation and Electrochemical Properties of NiO@Ni(OH)2/GNSs
Abstract
Since the two industrial revolutions, with the development of human civilization, People’s demand for energy is increasing, The development of new and efficient clean energy is imminent.So the supercapacitors are coming out. As a new energy storage device for the 21st century, compared with the old energy storage devices, it has many advantages such as large reserves, rapid current transmission, and high efficiency. The performance of this new type of capacitor is studied and regulated by the combination of different materials, one of which is the composite preparation of graphene nanosheets and NiO, Ni(OH)2.
Graphene, as the leader in the inorganic materials of today's materials industry, has been a popular researcher for more than a decade since its inception. It not only has high thermal conductivity but also has advantages in terms of specific surface area and mechanical properties.
In this paper, graphene nanosheets are used as the substrate of the electrode material, and NiO and Ni(OH)2 are loaded onto the surface of the nanosheet, the experimental method is a two-step hydrothermal method, which is heated by microwave hydrothermal method, and a composite electrode material is prepared at different times and temperatures. The final product was characterized by X-ray diffractometry, transmission electron microscopy and scanning electron microscopy to investigate the effect of temperature and time on the morphology of the product. Finally, the electrochemical performance test was carried out. The test result was that when the reaction temperature was 180 ° C and the reaction time was 1 h, the reaction proceeded to the fullest, and the obtained product had the best morphology and performance, and also had a high specific capacitance.
Key words: Graphene nanosheets; Supercapacitor material; Microwave hydrothermal method; NiO and Ni(OH)2
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 石墨烯简介 2
1.2.1石墨烯的发现与结构 2
1.2.2 石墨烯的性质 3
1.2.3 石墨烯的制备方法 3
1.3金属氧化物或氢氧化物电极材料概述 4
1.3.1 Ni(OH)2的结构和性质 5
1.3.2 NiO 的结构及性质 5
1.4 石墨烯复合材料的研究进展 6
1.4.1 石墨烯复合材料概述 6
1.4.2石墨烯-无机复合材料 6
1.4.3 石墨烯-聚合物复合材料 7
1.4.4 其他石墨烯复合材料 7
1.5 本课题立题依据和主要研究内容 8
1.5.1 本课题研究目的 8
1.5.2 本课题拟采用的研究手段 8
第二章NiO@Ni(OH)2/GNSs复合材料的合成及表征方法 9
2.1 NiO@Ni(OH)2/GNSs复合材料的合成 9
2.1.1 实验方法 9
2.1.2 实验原料 9
2.1.3 实验设备及来源 10
2.1.4 实验步骤 10
2.1.5 实验流程图 11
2.2 样品表征 11
2.2.1 X射线衍射物相分析 11
2.2.2 场发射扫描电镜(FESEM)分析 11
2.2.3 透射电镜(TEM)分析 12
2.2.4 电化学性能测试 12
第三章 结果与讨论 13
3.1 材料形貌和结构表征 13
3.1.1 石墨烯纳米片的X射线衍射分析 13
3.1.2反应温度对最终产物的影响 13
3.1.3反应时间对最终产物的影响 15
3.1.4 NiO@Ni(OH)2/GNSs的TEM表征 17
3.2 材料电学性能测试 18
3.2.1循环伏安法 18
3.2.2恒电流充放电法 19
第四章 结论与展望 20
4.1 结论 20
4.2 展望 20
参考文献 22
致 谢 24
第一章 绪论
1.1 引言
空气污染和全球变暖刺激了人们对替代能源的能源储存和转换的深入研究。老式的电能储存设备例如电池电容器由于其储能较少、能量密度很低满足不了人类的需求，逐渐退出历史舞台。于是各种超级电容器应运而生，别名为电化学电容器(EC)，它有着高能量高密度、循环利用率高、安全清洁、使用温度区间宽、在高的电流密度下也可以放电等等博人眼球的优点，成为了21世纪最有潜力的能源储存设备。与其他储能设备对比发现，超级电容器的各项优势明显、性能卓越，十分有望替代其他各类储能设备成为21世纪新的高效清洁储能装置。在不久的将来，超级电容器不仅在能量储存发面大有作为，还有望在航天航空、无线通讯、公共交通、军事作战等领域普及。
迄今为止，存在着两种不同储能方式的的超级电容器：一种是反应在电极与电解质的界面处，电解液中的反应物通过离子或电荷交换的形式来储存能量，这种方式称为双电层电容；另一种则是在电极的表面上发生一系列化学变化例如物质的吸附分离等来储存能量，这种方式称为法拉第准电容[1]。电极材料是储能设备的核心部分，电极材料选择的正确与否会直接影响该储能装置的性能。在外界条件变化的情况下，材料自身始终具有较高的储电能力，这是合适的电极材料应该具有的基本要素之一。目前，对于电极材料的研究对象主要包含碳基材料、过渡金属（氢）氧化物材料和导电聚合物材料等[2]。如果只使用一种材料作为电极，在性能和功能等方面会存在较多的不足和局限，人们于是把目光放到复合电极材料的开发和制备上去，复合电极材料又是电极材料开发道路上一个极具潜力的部分。
复合材料是多种材料结合到一起，各材料性能优劣互补或者是产生新性能的一种材料，它是由两种或两种以上物理或化学性质不同的材料通过一定的方法结合到一起[3]。所谓的纳米复合材料，就是指增强体尺寸至少有一维方向上是纳米尺度(1-100 nm)的复合材料[4]，其本质还是为复合材料，只是增强体这一组成部分在尺寸方面有所改变，而正是这些纳米尺度的改变，才引起了很多新奇和特殊的性能，例如在超级电容器中很重要的比表面积增大、纳米尺寸效应、表面能增大等。所以说纳米复合材料与一般复合材料相比，有着更明显的性能优势和更广阔的开发背景，未来涉及的领域也更多。
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