《华侨大学材料分析测试课程论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华侨大学材料分析测试课程论文（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本科课程论文对一种不对称超级电容器中 Ni(OH)2/石墨烯正极材料及多孔石墨烯负极材料的表征课程名称材料近现代分析测试方法姓名学号专业 高分子材料与工程年 级 2015级班级2J任课教师教师评阅意见：论文成绩评阅日期课程论文提交时间：2018年1月28日目录一、 正、负电极材料的合成及分析 3二、 Ni (OH) 2 /石墨烯复合材料的XRD及拉曼光谱分析 5三、 Ni (OH) 2 /石墨烯复合材料的TEM分析 6四、 Ni (OH) 2 /石墨烯复合材料的合成机理分析 7五、 多孔石墨烯的TEM分析 8六、 多孔石墨烯的电容性能分析 9七、 总结 10正、负电极材料的合成及分析Figu
2、re _L Schematic illustration of the as-fa brie a ted asymmetric super- capacttof device on Ni(OH)；/graphene composite a写 the positive electrode and porous graphene as the negative electrode in 6 M aqueous KOH electrol/te.正极材料一一花状Ni (OH 2 /石墨烯复合材料的合成：由文献报道，我们 用水合肥化学还原氧化石墨烯法制备石墨烯微片。采用微波加热法合成了花状 Ni (OH
3、 2/石墨烯复合材料，其中不含任何硬/软模板或沉淀控制剂。在一个典 型的合成过程中，将0.1克石墨烯加入到100毫升蒸储水中，并进行超声波振动 处理以得到均匀的悬浮液。然后将3.28g硝酸锲(II )六水合物和13.54g月尿加入到上述石墨烯悬浮液中并搅拌一段时间。随后，将形成的悬浮液转移至微波合成系统(PreeKem APEX中，在空气气氛下用700W勺功率微波加热7分钟，然 后自然冷却至室温。最后，将黑色沉积物过滤，用蒸储水和酒精洗涤几次，并在 真空烘箱中在100c下干燥12小时。为了作对比，我们在没有石墨烯的情况下， 使用与上述相同的程序合成纯Ni (OH 20在石墨烯上生长的 Ni (
4、OH 2的质量分数为79%,该数值是通过比较 Ni (OH 2/石墨烯复合材料的质量和合成中使 用的石墨烯的质量获得。负极材料一一多孔石墨烯的合成：通过模板CVDT法制备多孔石墨烯，如我 们之前的报告J34所述。简而言之，将石英反应器在大气压下和1000mL/min的Ar气氛中加热至900C 0当达到反应温度时，将 CH以800mL /min的流速引入 反应器中。然后，从顶部料斗在5分钟内将MgO真板G30g)加入到反应器中。 碳沉积10分钟后，关闭CH气流并在Ar气氛中将反应器冷却至室温。所得物质 通过回流酸洗1小时以除去MgO最后，过滤得到沉淀，并将沉淀在80c的烘箱 中烘干一晚。分析：花
5、状Ni (OH 2/石墨烯复合材料作为正极，正是利用了 Ni (OH 2高 电容特性，而花状形貌有利于电容器中的电解质离子在快速充放电过程中的扩散 和迁移，还利用了石墨烯的高导电率。多孔石墨烯作为负极，则是利用了使用KOH 舌化后的石墨烯电极所具有的高 电容特性和高比表面积，而以MgO基底合成的多孔石墨烯相比氧化还原法制得 的石墨烯微片，具有更多的褶皱及孔隙亦即更大的比表面积。 这对于电容器来说 是一大利好，因为这意味着多孔石墨烯更适合于作为不对称超级电容器的负极。s 亘 -#C4E-3.3 UVUE成la(T1 touflK -UBUM一20D励。 800100012V0Binding ww
6、rgy V)Ni (OH) 2 /石墨烯复合材料的 XRD及拉曼光谱分析血1000 13D 14M 14oa lan4oao wo 2544 2tw 1S90 loot) Raman shift (cnf1)Wavenurrbw (cm-1)Figure 工 a) XRD patterns of pure Ni(OHiz arid NiiOHti/griphene 匚。rnpmit醺 b) XPSI I ab)制备的Ni (OH 2 /石墨烯复合材料的XPS谱。c)原始石墨烯微片和Ni (OH 2 /石墨烯复合材料的拉曼光谱。d)所制备的 Ni (OH 2/石墨烯复合物的FTIR光谱。分析：图
7、2 (a)是纯Ni(OH)2和Ni (OH 2 /石墨烯复合材料的X射线衍射 (XRD图。两图谱特征峰位置对应的晶面(003)、(006)、(101)、(110)均相 同，形状相似，说明Ni (OH 2 /石墨烯复合材料的合成很成功。通过与标准数 据的对比，发现其与a- Ni(OH) 2的衍射数据相吻合。通过布拉格方程的计算得 到晶面间距为0.73nm。但是对比发现Ni (OH 2/石墨烯复合材料的整体衍射度 都要显著低于纯Ni(OH)2的衍射强度，这是由于复合材料中Ni(OH)2的质量分数仅为79%。图2 (b)是对Ni (OH 2 /石墨烯复合材料的X射线光电子能谱分析，X射 线光电子能谱
8、能对材料进行定性分析， 分析得到其化学组成与状态。通过观察谱 图，以结合能从小至大的顺序依次显示出了 Ni 3p、Ni 3s、C 1s、N 1s、O 1s、第簿力学HUAQIM LIXIVEKSITYNi LMM Ni LMM1、Ni LMM2 Ni 2P 3/2、Ni 2P 1/2、O KLL Ni 2s 的特征峰。表明 Ni (OH 2 /石墨烯复合材料中存在 Ni、C、N、O元素，其中少量杂质 N来自前 体硝酸锲(II )六水合物，而O除了来自Ni(OH)2之外还来自未还原完全的氧化 石墨烯O图2 (c)是原始石墨烯微片和 Ni (OH 2/石墨烯复合材料的拉曼光谱。观 察到在1350c
9、m1和1600cm1处两谱线均各有一个宽峰，表示石墨烯中sp2原子的面内伸缩运动。而Ni (OH 2/石墨烯复合材料的拉曼光谱中还有额外的一处1100cm1的特征峰，这应该是硝酸盐中的离子引起的。图2 (d)是Ni (OH 2/石墨烯复合材料的傅里叶变换拉曼光谱。其中3435 cm1处的吸收宽峰对应着 OH的振动。2255 cm-1处的强吸收峰对应着 OCNfr 5N键 的振动。1637 cm1处的弱吸收峰对应着层间水分子的振动。1583 cm1处特征峰代表石墨烯中的碳环。1200 cm1处的吸收峰对应着气氛中的CO或水解产生的CG2，641 cm1处的吸收峰对应着6 0H的振动。484 cm
10、1处的弱吸收峰可能是6 m-oh 的振动。三、Ni (OH) 2 /石墨烯复合材料的 TEM分析:3. TEM ini-aaei of a,b) Ni(OHl) j and 亡f J1 O H) gc a phene composite bj acid d) are 图h卧助mgn求凯of蛇制间。gm i.im, in g杼壁烯复合材料的透射电镜图，b)和d)分别是(a)和(c)中方形框架区的较高倍率。分析：透射电镜可以用来观察试样的形貌结构，对 Ni (OH 2和Ni (OH 2/ 石墨烯复合材料的透射电镜图像如上。图3 (a) (b)显示出纯Ni (OH 2的形态结构是花状的，每朵花有数十
11、瓣花 瓣。图3 (c) (d)中Ni (OH 2在石墨烯上均匀地生长，仍然保留着花状的形貌 结构，而且能明显地观察到花的尺寸减小了一些，这是由于Ni (OH 2在石墨烯微片上均匀成核生长的结果。四、Ni (OH) 2 /石墨烯复合材料的合成机理分析AdsorptionNudeationFigure 4. Schematic illustration for the possible formation of the flowerlike Ni(OH)； nanostructures decorated on graphene sheets,分析：针对花状的形貌结构提出了上述形成机理。首先Ni2
12、+被静电吸附到石墨烯微片的表面，而后均匀成核，并与OH结合生成Ni (OH 2,而后各核之间互相聚集，并各向异性地生长，最后通过自组装形 成花状结构。自组装的原因是单个 Ni (OH 2片层的表面能过高，为了形成低能 量的稳定的结构，而自发地组装在一起，形成花状的形貌。花状形貌有利于电容 器中的电解质离子在快速充放电过程中的扩散和迁移。五、 多孔石墨烯的TEM分析Figur* & a TEM ndJfhjan TEM mav- of petrousgraphene. The arrows- indka6e the ffiiserK-e of pores in she rphene图6. a )
13、 TEMH b)高倍率台讯箭买表示石墨烯微片中存在孔隙。分析：多孔石墨烯作为负极，利用了使用KOH舌化后的石墨烯电极所具有的 高电容特性和高比表面积。在透射显微镜的图像下，可以明显地观察到多孔石墨烯的褶皱和孔隙， 如上 图中的箭头所指。以Mg她基底合成的多孔石墨烯相比氧化还原法制得的石墨烯 微片，具有更多的褶皱及孔隙亦即更大的比表面积。 这对于电容器来说是一大利 好，因为这意味着多孔石墨烯更适合于作为不对称超级电容器的负极，这将使超级电容器拥有更高的比电容。M4OO 5 & %;.$二里隹1:1.0 A g 2 2.9 A g- 次 5.0 A g.4:10 Ag5： Ag440 AO 120
14、 ISO 204Time (eo) UOH 仁忠CUJ Bocs一口 EadGU400 M16002000Cycle number六、多孔石墨烯的电容性能分析图7.a）在6M KOH中不同扫描速率的多孔石墨烯的CV曲线。b）不同恒定电流密度下多孔石墨烯的恒电荷/放电曲线。c）多孔石墨烯和化学还原石墨烯的比电容作为从每个电流密度的相应放电曲线计算的电 流密度的函数。1d）在6M KOHK溶液中以200mV-s的扫描速率，循环测试多孔石墨烯电极的性能。分析：图7 （a）是在6MKOH容液中，使用不同扫描速率对多孔石墨烯进行 扫描分析得到的CV曲线。发现该材料具有良好的电容特性，通过与化学还原氧 化石墨烯法制得的石墨烯相对比，多孔石墨烯的CV曲线仍然是类似于平四边形的回路曲线，没有明显偏移，说明该石墨烯材料具有良好的电容特性，适于作为电容器电极材料。图7 (b)是不同恒定电流密度下多孔石墨烯的恒电荷 /放电曲线。可以看到 在不同电流下，多孔石墨烯的充放电曲线都是对称的，而且线性相关度极高，说明其电容性能优异。图7 (c)对比了化学还原法制得的石墨烯与本实验中的多孔石墨烯的比电 容随电流密度变化的关系
