三维介孔石墨烯/MnO2复合材料的设计合成及电容性能研究

3D porous graphene， which is fabricated with the 2D graphene sheets， is an ideal electrode materials for supercapacitors. It provides facile routes for electron and electrolyte transportations in interconnected conductive networks. In this project, 3D mesoporous graphene will be fabricated by using NH2-SiO2 nanosphere as a sacrificial template. The overall synthetic procedure of 3D mesoporous graphene involves three steps: the graphene-encapsulated NH2-SiO2 is firstly fabricated by coassembly between negatively charged graphene oxide and positively charged NH2-SiO2 nanoparticles. Then,the resulting aggregates is thermally reduced to result in graphene encapsulated SiO2. Finally, SiO2 is etched away by NaOH to get the mesoporous graphene. Furthermore, for further capacitance boost, a thin layer of MnO2 is additionally deposited onto the graphene to get the 3D mesoporous graphene/MnO2 composite.The mesoporous graphene/MnO2 has excellent mechanical properties，larger accessible surface area and suitable pore structure to increase the capacitance perfomance of the electrode material,compared to the corresponding macroporous material.In order to design and control the structure and property of the 3D mesoporous graphene/MnO2 composition, the structure-activity relationships of the electrode material will be explored by investigating the effects of the particle size of SiO2,the size of graphene oxide sheet,the reduction temperature and the parameters of the synthesis of MnO2 on the capacitance of the composite.

由二维石墨烯片组成的三维多孔石墨烯兼具高导电性和多孔结构，为离子和电子提供了快速扩散通道，是理想的超级电容器电极材料。本项目拟以氨基化的SiO2纳米球（≤50nm）为牺牲模板，通过溶液静电自组装形成包裹结构的SiO2/氧化石墨烯复合物，再以高温热还原及NaOH刻蚀合成三维介孔石墨烯材料，进一步将高比容量的MnO2薄层沉积在石墨烯上合成三维介孔石墨烯/ MnO2复合材料。与以往三维大孔石墨烯/ MnO2复合材料相比，介孔复合材料具有更高的机械性能，更多的有效比表面积及合适的孔结构以增加电极材料的电容性能。通过深入研究SiO2粒径、氧化石墨烯片的大小、热处理温度及MnO2的合成条件对复合材料的电容性能影响，探索材料结构及电容性能之间的关系，以期实现三维介孔石墨烯/ MnO2复合材料的设计合成以及结构和性能的调控。

超级电容器由于具有高的功率密度、高循环稳定性而备受瞩目。电极材料是决定超级电容器性能的重要因素。三维多孔石墨烯兼具高导电性和多孔结构，为离子和电子提供了快速扩散通道，是理想的超级电容器电极材料。我们将其与高比电容的氧化物有机结合所合成出的氧化物/三维石墨烯复合材料表现出较高的电化学性能。. 以NH2-SiO2为牺牲模板，成功合成了纳米多孔三维石墨烯，将其与高锰酸钾作用后合成了MnO2/纳米多孔三维石墨烯复合材料，并以此为电极材料研究了其电化学性能。结果表明，由于三维石墨烯和MnO2之间的协同效应，所合成的MnO2/3D-G具有较高的比电容和良好的稳定性。利用两步水热法合成了MnOOH/3D-rGO复合材料并研究了其电化学性能。结果表明：纳米针状的MnOOH生长于三维石墨烯片上。所合成的MnOOH/3D-rGO具有较高的稳定性和比电容（327 F/g 当电流密度为 0.2 A/g时），其与活性炭组成的非对称电容器在功率密度为378 W/kg，可提供高达52.7 Wh/kg的能量密度。利用水热法合成了NiCo2O4/三维石墨烯复合材料并研究了其电化学性能。结果表明：NiCo2O4纳米颗粒附着于三维石墨烯上。所合成的NiCo2O4/三维石墨烯具有较高的稳定性和比电容（2300 F/g 当电流密度为1.0 A/g时），其与活性炭组成的非对称电容器在功率密度为800W/kg，可提供高达73.8 Wh/kg的能量密度。利用水热无模板法合成了中空NiCo2O4/石墨烯复合材料并研究了其电化学性能。结果表明：所合成的NiCo2O4/石墨烯具有较高的比电容（1238 F/g 当电流密度为1.0 A/g时），其可归功于石墨烯与中空NiCo2O4之间的协同效应。. 通过调变水热反应的温度和时间，由纳米线和纳米片共同构成的多级结构的NiCo2O4被成功合成出来，其表现出较高的比电容（1393 F/g 当电流密度为 0.5 A/g时），其与活性炭组成的非对称电容器在功率密度为350 W/kg，可提供高达21.4 Wh/kg的能量密度。利用超声法合成了介孔MnO2并研究了其电化学性能。结果表明：较大的比表面积和介孔结构有利于电化学反应的发生。所合成的介孔MnO2表现出较高的比电容和稳定性，具有一定的应用前景。