91电化学

PH诱发化学改性对水热还原的氧化石墨烯在超级电容器性能的作用一简介二论文电容器•电容器：由两片接近并相互绝缘的导体制成的电极组成的储存电荷和电能的器件。•电容器的历史：利用物质表面储存电荷起因于古代与摩擦琥珀有关的现象。•双层电容器和准电容器均成为超级电容器超级电容器•又叫双电层电容器、电化学电容器,黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。•由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发，取得了一定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。而超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。•2007年1月16日，美国得克萨斯州一家研制电动汽车储能装置，名为EEStor的公司打破沉默，对外宣告了他们“里程碑”式的成果：他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收，其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化，纯度达到了99.9994%。这一技术一旦进入成熟的工业生产，他们所研制的新型超级电容器动力系统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池。按照2006年4月发表的专利，EEStor这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上说，它并不是电池，而是一种超级电容器，它在5分钟内充的电能可以让一个电动车走500英里，电费只有9美元。而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元。美国高中女生发明超级电容器20秒完成手机充电•凭借卡瑞的这项发明，现在需要数小时才能为手机充好电可在20秒到30秒内完成一次充电。这种快速充电装置能够在很小的空间储存许多电量，且具有充电速度快，电量保存时间长等特点。卡瑞称，这种装置能够重复充电一万次，而普通充电电池仅能重复充电一千次。迄今为止，卡瑞仅使用这种超级电容器为LED灯供电。不过，这项发明的前景广阔。卡瑞认为，这种装置可用在当前非常普及的手机及其他便携设备内，让用户和他们的设备可以有更长的时间摆脱对电源插座的依赖。•此外，卡瑞还表示：“这种超级电容器还具有很好的柔韧性，可用在柔性显示器上。因此，从这一层面来说，它比普通电池的应用范围更广，且具有更大的优势。石墨烯•石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。•制备方法石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法；化学方法是化学还原法与化学解理法。•微机械分离法最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。•取向附生法—晶膜生长取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80％后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。另外PeterW.Sutter等使用的基质是稀有金属钌。•加热SiC法该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。•化学还原法化学还原法是将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。SashaStankovich等利用化学分散法制得厚度为1nm左右的石墨烯。•化学解理法化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应，迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解理开，得到石墨烯。这是一种重要的制备石墨烯的方法，天津大学杨全红等用低温化学解理氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯微型石墨烯超级电容器电池可几秒内充满成本低廉•据外媒报道，美国研究人员已经公布了研制的一种新型微型石墨烯超级电容器电池，这种电池能在几秒内给手机，甚至是汽车充满电。•这种名叫微型石墨烯超级电容器的装置的充电或者是放电速度比常规电池快100倍到1000倍。这种利用单原子层碳制成的电池很容易生产，也很容易与电子产品结合到一起，甚至有可能促使更小的手机诞生。该科研组表示，他们的新突破不仅将会导致充电更快的手机和汽车诞生，而且也会催生更小的电子产品。美国加利福尼亚大学洛杉矶额分校亨利-萨缪理工程和应用科学学院的材料科学同时也是工程学教授的理查德-卡纳说：“储能设备与电路相结合具有很大挑战，它经常会对整个系统的小型化产生很大限制。”•研究人员为了研制这种新的微型超级电容器，他们采用两维碳片，即石墨烯，它在第三维只有单原子那么厚。该科研组还发现一种能够轻松生产这种电池的方法，即采用标准DVD刻录机。艾尔-卡迪说：“制造微型超级电容器的传统方法涉及到劳动密集型光刻技术，事实证明，这种方法很难制造出符合成本效益的装置，因此它大大限制了它们的商业应用。而我们采用消费档次的光雕刻录，用比传统装置低很多的成本大面积生产石墨烯微型超级电容器。采用这项技术后，我们能用便宜材料，在不到30分钟的时间里，在一个单一的光盘上生产超过100个微型超级电容器。”化学改性•通过化学反应改变聚合物的物理、化学性质的方法。•如聚苯乙烯的硬链段刚性太强，可引进聚乙烯软链段，增加韧性；尼龙、聚酯等聚合物的端基(氨基、羧基、羟基等)，可用一元酸(苯甲酸或乙酸酐)、一元醇(环己醇、丁醇或苯甲醇等)进行端基封闭；由多元醇与多元酸缩聚而成的醇酸聚酯耐水性及韧性差，加入脂肪酸进行改性后可以显著提高它的耐湿性和耐水性，弹性也相应提高。•石墨烯的化学改性•最初,石墨氧化物通常是准备从自然发生的石墨。继氧化法之后,一些化学方法制备可溶性石墨烯有被发现,包括在一个稳定的介质中减少石墨氧化(GO)，在羧基团体酰胺化作用下共价键的改性,无共价键功能化过程中减少的氧化石墨烯,对环氧基的亲核取代,重氮盐耦合。石墨烯超级电容器•石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比，在能量储存和释放的过程中，显示了一些新颖的特征和机制。PH诱发化学改性对水热还原的氧化石墨烯在超级电容器性能的作用•在现代社会存在使人烦恼的能源和环境问题如全球气候变暖、化石燃料的枯竭创建紧急需求可再生能源生产和高效的能量储存。在本世纪，超级电容器被认为是作为一个最有前途的电化学能量储存设备。他们有较高的功率密度和比传统电池非凡的长周期，比传统介质电容器更高的能量密度。基于电荷存储机制,超级电容器是广泛的分类分为两类即,电化学双层电容器极板和准电容器。而在电化学双层电容器极板，能源存储通过离子吸附发生电解质之间界面,赝电容储存能量的迅速可逆感应电流的反应。碳基材料,如活性炭、介孔碳和石墨纳米碳(纳米圈,纳米纤维,纳米管,纳米锥等)被广泛用作电极材料电化学双层电容器极板。常用的电极材料赝电容是过渡金属氧化物和导电聚合物。•制备氧化石墨烯•制备氧化石墨烯的方法是现代的Hummer法。通常,在75毫升的浓硫酸是加到1.5g的石墨粉和1.5g的硝酸钠，在之前冰浴过的烧杯中在室温下搅拌15分钟。然后,9克高锰酸钾添加到混合物中,慢慢地保留30分钟。冰浴之后的是移除,反应持续48h在室温下搅拌。由此产生的棕色泥浆或厚粘贴立即加入138毫升去离子水搅拌10分钟。然后420毫升的温水缓慢增加30毫升的过氧化氢来得到一个黄色悬浮。这个悬浮被6wt%H2SO4/1wt%H2O2混合的水溶液离心和清洗,然后在真空通过60C水36小时和干燥得到石墨氧化物粉末。•还原氧化石墨烯•一如些报告中氧化石墨烯通过水热脱水被还原，但是做了改变。简单地说,37.5毫升的0.5mgmL-1石墨氧化物中引入去水溶液是被密封在50毫升聚四氟乙烯衬里高压蒸汽和维持在180C6h探针声波降解法(160W)1h制备的。然后冷却到室温;过滤和用去离子水清洗合成黑色产品。溶液的pH值调整与盐酸和氨水,产品贴上HTrGO-N(中性,pH~7),HTrGO-A(酸性,pH~2),HTrGO-B(基本,pH~10)超级电容制造的和电化学测试•圆形的超级电容器电极的直径是1.6厘米准备通过以下程序使用高温还原型石墨烯氧化物样品。这个高温还原型石墨烯氧化物与聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂混合一个质量比95:5并且分散在乙醇中。混合的结果是由声波降解法和涂在同质化的导电碳纸衬底,随后在100C6h在真空炉干燥，每个电极包含2.5毫克电活性物质的电活性材料。每个电极1.25毫克。两个电极在30wt%KOH水溶液电解质组装成一枚硬币细胞分离的薄聚合物分离器。使用了电化学工作站，电化学性能的这枚硬币电池超级电容器研究了循环伏安法(CV)、恒电流充电/放电和电化学阻抗光谱法(EIS)。两个电极配置首选,因为它提供了最可靠的结果的性能的材料,电化学电容器。EIS频率范围从100kHz到10mHz在5mV振幅指开路电压，这个电容的碳纸衬底可以忽视。Theend