超细铁氧化物/石墨烯复合水凝胶的超电容性能及电荷存储机理研究

Iron oxide/graphene composite has been one of the most promising anode materials for supercapacitors. However, most of the previous works focused on the preparation of graphene-based powder materials, due to the tight stacking of graphene sheets during drying process and the addition of polymer binders during electrode preparation, the specific capacitances of current iron oxide/graphene hybrid materials are below 400 F/g, less than ~20% of its theoretical capacitance. To solve these problems, according to the principle of electrochemical reactions of pseudocapacitors, we propose to construct ultrafine iron oxide/graphene hybrid hydrogels (particle size < 10nm) as binder-free electrode for supercapacitors, in order to increase the proportion of electrode materials to participate in redox reactions, to prevent the tight stacking of graphene, and to overcome the various problems of traditional polymer binder-enriched electrodes. Two approaches (adjusting the hydrolysis/ pyrolysis rate of metal salts or using colloid sol as the precursor) will be employed to control the particle size of iron oxide to be less than 10 nm in the hybrid hydrogels; Furthermore, we will in-depth study the effects of synthesis conditions on the microstructure of the hybrid hydrogels, and disclose the relationships among preparation-microstructure-electrochemical performances; By optimizing the electrolyte system, the microstructures of hybrid hydrogels and the macrostructure of electrode, the ultrafine iron oxide/graphene hybrid hydrogels are supposed to achieve an ultrahigh specific capacitance of more than 600F/g. Finally, the energy storage mechanism of the hybrid hydrogels will be studied and disclosed.

铁氧化物/石墨烯复合材料是最有发展潜力的电容器用负极材料之一。但是，现有的研究主要基于粉体电极材料，由于石墨烯干燥过程中极易发生团聚、电极制备时需要添加粘结剂等问题，该材料的比电容大多小于400F/g，尚不到其理论值的20%。针对这些问题，本项目基于电容器电化学反应的基本原理，提出构筑超细铁氧化物/石墨烯复合水凝胶并直接用作无粘结剂的负极，以提高电极材料参与电化学反应的比例、抑制石墨烯的再堆积并克服传统电极的不足。拟通过控制铁盐的水解或热解速率，或采用溶胶为前驱体，实现小于10nm的铁氧化物纳米晶负载石墨烯水凝胶的可控制备；深入研究合成条件对凝胶微观结构的影响及规律，从而揭示材料合成-微观结构-电化学性能之间的构-效关系；再通过对电解液体系、复合材料的微观结构以及电极宏观结构等的协同优化，最终实现比电容达600F/g的负极材料的研制并揭示其电荷存储机理。

铁氧化物/石墨烯复合材料是最有发展潜力的电容器用负极材料之一。但是，现有的研究主要基于粉体电极材料，由于石墨烯干燥过程中极易发生团聚、电极制备时需要添加粘结剂等问题，该材料的比电容大多小于400F/g，尚不到其理论值的20%。针对这些问题，本项目基于电容器电化学反应的基本原理，提出构筑超细铁氧化物/石墨烯复合水凝胶并直接用作无粘结剂的负极，以提高电极材料参与电化学反应的比例、抑制石墨烯的再堆积并克服传统电极的不足。在基金的支持下，我们采用一步溶剂热合成法，以氧化石墨烯和铁盐为原料，通过控制铁盐的水解或热解速率制备并获得了超细氧化铁/氮掺杂石墨烯复合水凝胶（粒径<10 nm），用作无粘结剂负极时水凝胶在2 A g-1的电流密度下具有高达1090 F g-1的比电容，远远超过项目预设的目标值。除此之外，深入研究了合成条件对凝胶微观结构的影响及规律，揭示了材料合成-水凝胶微观结构-电化学性能之间的构-效关系。进一步地，设计并构筑了具有双导电网络结构的中空碳纳米纤维@Fe2O3@GS柔性负极材料，将其与中空碳纳米纤维@ NiGo-LDH@GS柔性正极组装成非对称超级电容器，电压窗口可达1.5V, 在2 A g-1时具有高达144 F g-1的比电容，对应的能量密度为162 Wh Kg-1，超过项目预设的目标值（80 Wh Kg-1）。另外，非对称电容器显示出良好的循环稳定性，在4A g-1下经过7000次循环后，其比电容保持率83%。基于以上成果，发表SCI学术论文10篇，影响因子＞6的论文5篇，培养硕士研究生5人，完成了相关的学术论文指标和人才培养指标。