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摘 要

由石墨烯制备而成的纤维作为一种新兴的电极材料，在现代电子器件领域具有巨大的潜在应用前景，引起人们的广泛关注。

本文从氧化石墨烯溶液开始，研究了氧化石墨烯纤维的制备与还原过程，讨论了石墨烯纤维的形貌结构对其性能的影响。然后组装成超级电容器，进行表征与分析。发现石墨烯纤维具有良好的电化学性能，在充放电电流为4 μA时，长度为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm的纤维电极的比容量分别为0.86 mF/cm²、1.59 mF/cm²、4.09 mF/cm²、8.53 mF/cm²和25.57 mF/cm²。纤维的电导率为2290.8 S/m。同时我们发现，在相同的电流密度下，纤维的比容量随着纤维的长度的增加而逐渐减小，这是纤维状电极的常见问题，进一步提高纤维的电导率是解决此问题的关键。

关键词：碳材料 石墨烯 石墨烯纤维 超级电容器

Preparation of graphene fiber and its application in flexible supercapacitors

Abstract

As an emerging electrode material, the fiber made of graphene has great potential application prospects in the field of modern electronic devices, which has attracted great attention.

Beginning with graphene oxide solution, we discussed the preparation and reduction process of graphene oxide fiber. Later, We discussed the influence of the morphology of graphene fiber on its performance as well. The graphene fibers are then assembled into a supercapacitor for characterization and analysis. It was found that the graphene fiber has a excellent electrochemical performance. When the charge and discharge current is 4 μA, the specific capacitance of the fiber electrodes of length 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm and 5 cm are 0.86 mF/cm², 1.59 mF/cm², 4.09 mF/cm², 8.53 mF/cm² and 25.57 mF/cm², respectively. The conductivity of the fiber was 2290.8 S/m. At the same time, we found that the specific capacity of the fiber gradually decreases with the increase of the length of the fiber at same current density, which is a common problem of the fibrous electrode. The key to solve this problem is improving the electrical conductivity of the fiber in further.

Key words: Carbon material; Graphene; Graphene fiber; Supercapacitor

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 文献综述 1

1.1石墨烯 1

1.1.1石墨烯概述 1

1.1.2石墨烯结构 1

1.1.3石墨烯性质 1

1.1.4石墨烯制备 2

1.1.5石墨烯应用 2

1.1.6石墨烯纤维制备 2

1.2超级电容器 3

1.2.1超级电容器概述 3

1.2.2超级电容器原理 3

1.2.3石墨烯纤维超级电容器 3

1.3石墨烯研究进展 4

1.4课题意义和研究目的 4

第二章 实验部分 6

2.1试剂和仪器 6

2.1.1实验试剂 6

2.1.2仪器设备 6

2.2表征方法 7

2.2.1 X射线衍射（XRD） 7

2.2.2扫描电子显微镜（SEM） 7

2.2.3循环伏安法（CV） 7

2.2.4恒流充放电法（GCD） 8

2.3实验过程 8

2.3.1准备试剂 8

2.3.2纺丝过程 8

2.3.3还原过程 9

2.3.4组装过程 9

第三章 纤维性质对纤维容量的影响 11

3.1纤维形貌分析 11

3.1.1 XRD表征分析 11

3.1.2 SEM表征分析 11

3.2纤维电容器的电化学性能 12

3.2.1循环伏安法表征分析 12

3.2.2恒流充放电法表征分析 13

3.3纤维长度对纤维比容量的影响 14

3.3.1循环伏安法定性分析 14

3.3.2恒流充放电法定量分析 15

3.3.3纤维电导性能分析 17

第四章 结论与展望 18

4.1结论 18

4.2展望 18

参考文献 20

致谢 22

第一章 文献综述

1.1石墨烯

1.1.1石墨烯概述

石墨在日常生活中广泛使用，普遍认为，它就是由石墨烯一层一层地堆叠起来而形成的。

在1999年，Ruoff通过石墨热剥离的方法，获得了高定向裂解石墨^[1]，为石墨烯的发现奠定的基础。

在2004年，石墨烯成为科学界的一个焦点。英国国曼彻斯特大学的物理学家Andre Geim和他的学生Konstantin Novoselov用一种看似笨拙的方法得到了石墨烯，一时之间，石墨烯成为科学界闪烁的新星^[2]。

1.1.2石墨烯结构

在理想石墨烯的结构中，所有碳原子都是以sp2形式杂化，相邻的碳原子间通过共价键结合，键长均为0.142 nm，除此之外，每个碳原子分别贡献出一个p杂化轨道上的电子，并在碳骨架上形成一个范围极广的离域大π键^[3]。这也是石墨烯与芳香族化合物具有很多相似性质的原因，因此呈现出独特的二维平面结构，如图1-1所示。

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