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摘 要

目前，可再生清洁能源如太阳能、风能、热能等得到了迅猛发展。同时，研究开发利用绿色环保、高能量密度和高功率密度的新型能量存储装置是能源变革的重要环节之一。超级电容器，作为新一代通过物理机理储存能量的新型能量存储装置，凭借着比电容量高、快速的充放电速度、良好的循环稳定性等优势引起了人们关注。而限制超级电容器进一步开发利用的关键问题之一是合成与其性能相符的电极材料。

石墨烯作为近几年碳基材料的研究热门话题之一，它具备许多特殊而优越的性能，比如超大比表面积、极高导电率以及其优秀的稳定性等。它也被看作理想的超级电容器电极材料。

本文主要研究将石墨烯纳米片(GS)作为复合材料基体，采用二步微波水热法在一定条件下合成Co-GS复合材料，通过采用X射线衍射仪、透射电镜以及扫描电镜等测试手段对其结构和成分进行表征，研究了不同反应条件下对合成的复合材料的物相和形貌的影响。同时，进行了电化学性能测试。结果表明，温度为100℃，反应时间为30分钟时，合成的复合材料产量较高，颗粒分散均匀，尺度均一。使用该材料制作的电极材料在电极性能中也表现出了较好的性能。

关键字：石墨烯纳米片 超级电容器 复合材料 金属氧化物 电化学

Preparation and characterization of the Co-GS composite material

Abstract

Currently, renewable clean energy such as solar energy, wind energy, and heat energy had been developed. At the same time, research and development of new energy and storage devices with eco-friendly protection, high energy density and high power density became a key factor for promoting the development of new energy industry. Supercapacitor focused on by physical mechanism to store energy is novel energy storage and possesses many advantages such as large capacity, high power density, fast charge and discharge, good cycle stability. However, the synthesis of high performance electrode materials is the key factor for research and development of supercapacitor.

Graphene has been a most promising carbon allotrope attracted tremendous attention in many years. And it own large surface area, high electrical conductivity and great mechanical flexibility. Graphene is regarded as the ideal electrode materials of supercapacitor.

This paper mainly studies the graphene nanosheets (GS) as substrate, using two step method of microwave hydrothermal synthesis of graphene-cobalt metal (hydrogen) oxide composite material. The structure and composition of the composites were characterized by X-ray diffraction, electron microscope and scanning electron microscope. And research the influence of the morphology of the composite material and substantial phase composition under different reaction conditions. At the same time, the electrochemical performance has been tested. The results show that the synthetic production of composite materials is higher, particles dispersed evenly and scale uniformly at reaction temperature of 100 ℃ and reaction time of 30 minutes. Electrochemical performance test show that the material has the potential to as supercapacitor electrode material.

Key words: Graphene Nanosheet; Supercapacitor; Composite; Metal Oxide; Electrochemistry

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 石墨烯简介 2

1.2.1石墨烯的发现与结构 2

1.2.2 石墨烯的性质 3

1.2.3 石墨烯的制备方法 3

1.3金属氧化物或氢氧化物电极材料概述 4

1.4 石墨烯复合材料的研究进展 5

1.4.1 石墨烯复合材料概述 5

1.4.2 石墨烯复合材料的分类与制备 5

1.4.3 石墨烯复合材料的应用 6

1.5 本课题立题依据和主要研究内容 7

1.5.1 本课题研究目的 7

1.5.2 本课题的主要研究内容 8

第二章 Co -GS复合材料的合成及表征方法 9

2.1 合成Co -GS复合材料 9

2.1.1 实验方法 9

2.1.2 实验原料 9

2.1.3 实验设备及来源 9

2.1.4 实验步骤 10

2.1.5 实验流程图 11

2.2 样品表征 11

2.2.1 X射线衍射物相分析 11

2.2.2 场发射扫描电镜(FESEM)分析 11

2.2.3 透射电镜(TEM)分析 12

2.2.4 电化学性能测试 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 材料形貌和结构表征 13

3.1.1 电镜分析 13

3.1.2 X射线衍射物相分析 15

3.2 材料电学性能测试 18

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

面对不断增长的对环境问题和能源消耗的担忧，以及日益旺盛的能源需求强烈刺激着对替代能源开发和储存的研究。低能量低密度的能量存储设备比如传统的电容器和电池定然无法满足未来旺盛且不断攀升的能源需求。超级电容器，也叫电化学电容器(EC)，凭借着高功率密度、快速充放电过程、高循环稳定性、环境亲切和高可靠性，作为新能源存储设备引发了普遍关注，使之非常有希望成为下一代能量存储设备。与众多的储能装置对比发现，超级电容器在比能量和比功率等方面性能卓越，显现出巨大的优势。未来，超级电容器将会遍及能量存储、航天、无线通讯、电动汽车等各种行业领域。

目前，超级电容器的储能手段大致可分为两大类：一类是发生于电极与电解质的界面处，电解液所含有的反应物通过离子或电荷交换的形式来储存能量，这种方式称为双电层电容；另一种则通过在电极的表面上发生一系列化学变化诸如物质的吸附分离等来储存能量，这种方式称为法拉第准电容^[1]。电极材料作为储能装置不可或缺的一部分，在其性能发挥中起着至关重要的作用。电极材料的基本要素之一是能够通过材料自身的特性在外界条件变化的情况下具有足够高的电容储备能力。目前，对于电极材料的研究对象主要包含碳基材料、过渡金属（氢）氧化物材料和导电聚合物材料等^[2]。此外，为了不断提升电极材料品质，突破单一材料在功能性或者结构性上的不足，将多种电极材料复合制成的复合材料是开发利用高效经济的电极材料一条重要途径。

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