基于超级电容器的石墨烯负载纳米MnO2及机理研究

项目面向超级电容器，利用氧化石墨烯表面丰富的含氧基团，通过原位反应，在氧化石墨烯表面均匀负载纳米MnO2；然后采用高浓度强碱溶液还原复合体系，获得纳米MnO2/石墨烯复合材料。在此基础上通过循环伏安、交流阻抗和恒流充放电等方法，探索复合体系的微观结构对其电化学性能的影响规律。并采用理论化学方法研究石墨烯与纳米晶的相互作用，探讨材料表面的吸附动力学过程，研究体系的微结构与其电化学尤其是电容性能的关系，探讨反应机理。希望既利用碳材料优秀的循环性能，又利用金属氧化物电极材料的高容量特性，较好解决电化学循环中纳米MnO2的团聚问题，有可能得到具有高比电容和较好循环性能的碳基复合电极材料，为获得高性能的超级电容器电极材料体系提供新的思路。

本项目在水-异丙醇体系中制备了氧化石墨烯-针状二氧化锰纳米复合材料。电化学测试结果表明，氧化石墨烯的加入可较好地解决二氧化锰材料在充放电过程中的循环问题，得到的复合材料在电化学性能上有明显的提升。考虑到氧化石墨烯和二氧化锰均是电的不良导体，两者的复合材料可能会具有较大的电阻。为了提高电极材料导电性能，采用不同还原能力的试剂（乙二醇﹑水合肼和强碱）对氧化石墨烯-二氧化锰复合材料进行了可控还原，分别获得了石墨烯-MnOOH﹑Mn3O4及MnO2复合物。在此基础上，为了获得更高电化学性能的复合材料体系，采用一步还原法制备了石墨烯-Co(OH)2复合材料。所得复合材料显示了增强的电化学比容量特性，在6 M KOH电解液中最大比容量达972.5 F•g-1。设计了不通过氧化的方法，直接获得低缺陷的石墨烯，进而制备了电化学性能优良的石墨烯基复合材料。结果显示，复合材料具有较好的电化学性能，显示了较大的比容量（1087.9 F•g-1）与良好的循环寿命（2000个充放电循环电容损失小于10%），表明其具有较好的电化学性能。