摘要
采用催化生长和化学活化相结合的方法,成功制备了高比表面积的活性三维石墨烯(3D-AGE)粉末,并将其应用于超级电容器。通过SEM、TEM、XRD、XPS、氮吸附-脱附等表征3D-AGE。通过CV、GDC)和EIS来测试电化学性能。在1mol L- 1KOH溶液电解质中,电流密度为1Ag-1时,3D-AGE的比电容为258.2 Fg-1,高于原来3D石墨烯(3D- GE)的比电容(87.8 Fg-1)。在2000次充放电循环后,比电容从285.2增加到345.3 Fg-1,增幅高达21%。3D-AGE具有独特的高比表面积的三维纳米结构、丰富的氧官能团以及快速的离子和电子传递速率,使其具有优异的电化学性能。
背景
石墨烯具有导电性高、比表面积大、物理化学稳定性好等优点,但由于分子间范德华力的作用,石墨烯薄片容易产生不可逆堆积,使得石墨烯的实际比电容远低于理论值|。通过对石墨烯材料的结构改造和优化,提高石墨烯电极板的比电容。将二维石墨烯几何转化为三维石墨烯,不仅可以提高其导电性,还可以通过三维交联结构增加比表面积,增加多孔结构。而活化后具有微孔结构的三维石墨烯比表面积更大,边缘活性更高,更适合作为高能密度超级电容器的电极材料。
图文解析
图1堆叠石墨烯(A)、3D石墨烯(B)、3D石墨烯泡沫(C)和3D石墨烯粉末(D)的原理图。
图·2三维样品合成过程的示意图
图3,3D-GE和3D-AGE样品的XRD图谱(插图为Ni3S2和3D-GE样品)。
图4,样品的SEM图像:(A, B) Ni3S2和3D-GE,(C, D) 3D-GE,(E, F) 3D-AGE。
图5 不同放大倍数下3D-GE(左)3D-AGE(右)样品的TEM图像
图6 3D-GE和3D-AGE样品的氮吸附-脱附等温线(A)和孔径分布(B)
图7 三维样品的XPS光谱:(A)测量扫描,(B)原子百分比,(C) C 1s和(D) O 1s高分辨率光谱。
图8 2000次CDC前后对比表现:(A) CV曲线,(B) CDC曲线,(C) Nyquist曲线,(D) Bode曲线。
图9所示。3D-GE和3D-AGE样品的CV (0.1 Vs-1)和CDC (1 Ag-1)的对比曲线。
图10所示。3D-GE (A, B)和3D-AGE (C, D)样品在不同扫描速率(0.1-2.0 Vs-1)下的CV对比曲线:(A, C)电流密度模式,(B, D)比电容模式。
图11所示。不同电流密度(1-10 Vs-1)下3D-GE (A)和3D-AGE (B)样品的CDC对比曲线,具体电容-电流密度(C)和能量密度-功率密度(D)关系图。
图12所示。3D-GE和3D-AGE样品的EIS谱 (A) Nyquist图和(B) Bode图。
图13所示。2000年CDC周期前后对比表现:(A) CV曲线,(B) CDC曲线,(C) Nyquist曲线,(D) Bode曲线
图14所示。过程中特定电容随循环数的变化2000次 CDC周期。
通过金属硫化物催化生长和KOH化学活化合成了活化的三维石墨烯粉末材料,用于超级电容器的电化学储能。由于其优秀的3D网络架构,大表面积(1687.8 m2g-1),高O杂原子掺杂(7.76%),获得的三维活化石墨烯样品比电容高(1Ag-l时为285.2 Fg-1),电化学稳定性好(2000充放电循环后增加了21%)。本研究为高性能活化的三维石墨烯粉末材料的开发提供了一条可行的途径,可用于电化学储能的工业应用。
BolinLi, ZeshengLi, QiPang, QintaoZhuang, JinliangZhu, Panagiotis Tsiakaras, Pei KangShena. Synthesis and characterization of activated 3D graphene via catalytic growth and chemical activation for electrochemical energy storage in supercapacitors. Electrochimica Acta. 2019
DOI:10.1016/j.electacta.2019.134878
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468619317499?via%3Dihub