过渡金属氧化物/石墨烯复合气凝胶的制备及其电化学性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

太阳能、风能、水电、生物质能等可再生能源技术取得了重大进展,但是这些可再生能源存在时效性及发电输出不均匀等特点,因此,亟需开发高效的储能器件将这些不稳定的能量储存起来,以实现连续稳定地供能。超级电容器因其能量密度高、充放电速率快、使用寿命长和维护成本低等优点被认为是一种很有潜力的能源存储装置,它可以将能量储存在两层间隔很近的带相反电荷的层中,用于电动汽车、电子产品、内存备份和军事设备供电[1-2]

超级电容器根据储能机理分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器。传统的超级电容器,即双电层电容器,通常采用高表面积和孔隙率的碳基材料电极,通过在电极/电解质界面快速吸附电子来储存能量,从而提供快速的充放电速率和较高的功率密度。然而,传统的双电层电容器能量密度较低,在水系和有机电解质中能够储存的电荷也非常低。赝电容器,也称法拉第准电容,通过电极表面和电极内部的法拉第电荷转移实现能量存储,可获得比双电层电容更高的比电容和能量密度。在相同电极面积下,赝电容是双电层电容量的10~100倍。

在众多的超级电容器电极材料中,fe3o4具有能量密度高、理论比电容高(gt;1000 f g-1),且无毒环保,原材料来源丰富,制备成本低廉等优点。但是,fe3o4的导电性较差,在高电流密度下比电容很不理想,且在电化学反应过程中,fe3o4容易发生结构破坏,这是导致其电容快速衰减的重要原因。如何通过材料设计提高fe3o4的电导率,并实现电化学反应过程中的应力释放,从而减小结构破坏或坍塌,是实现fe3o4材料大规模商业化应用的关键。

通过纳米技术对fe3o4材料进行结构设计是一种提升其电化学性能的常用方法。与尺寸较大的块体材料相比,纳米结构材料具有较高的比表面积,可以实现活性物质材料与电解液的充分浸润,为法拉第反应提供更多的电化学活性位点,大大缩短离子和电子传输/扩散路径,提高动力学反应速率。目前,通过溶胶凝胶、化学气相沉积、静电纺丝、溶剂热、电化学沉积、喷雾干燥等方法,多种不同结构和形貌的fe3o4材料被制备出来,如纳米线、纳米管、纳米棒、纳米片、中空纳米球、纳米花等。

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2. 研究的基本内容与方案

1、材料制备

(1)以天然石墨粉为原料,采用改进的hummers法制备氧化石墨烯。

(2)采采用自组装法,采用自组装法,通过在气凝胶合成过程中加入海藻酸钠诱导fe3 在该水凝胶网络中原位生长,并通过煅烧处理,制备出过渡金属氧化物fe3o4/石墨烯复合气凝胶复合材料。

2、材料表征

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-8周:按照设计方案,制备过渡金属氧化物/石墨烯复合气凝胶。

第9-12周:采用xrd、fe-sem、raman、电化学工作站等测试技术对复合材料的物相、显微结构、电化学性能等进行测试。

第13-14周:分析处理实验数据,完成并修改毕业论文。

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4. 参考文献(12篇以上)


  1. stollerm d, park s, zhu y, et al. graphene-based ultracapacitors[j]. nano letters,2008, 8(10): 3498-3502.

  2. stollerm d, magnuson c w, zhu y, et al. interfacial capacitance of single layergraphene[j]. energy amp; environmental science, 2011, 4(11): 4685-4689.

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