石墨烯/MnO2/PPy超级电容器材料的制备与研究(2)

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2 复合物合成及表征 7

2.1 药品与仪器 7

2.2 实验步骤 8

2.2.1 水热法制备氮掺杂的氧化石墨烯/二氧化锰复合材料 8

2.2.2 原位聚合法制备石墨烯/二氧化锰/聚吡咯复合材料 10

2. 2.3 对照实验组 11

2.2.4 电化学性能测试 12

2.3 实验结果及表征 12

2.3.1 电化学性质分析 12

2.3.2 拉曼测试 23

2.3.3 TEM测试结果 24

2.3.4 XRD测试 25

结论 27

致谢 28

参考文献 29

1 绪论

1.1 引言

近些年来，环境问题和资源问题已经越来越受到各方面人士的关注，不可再生资源的枯竭和环境污染问题严重使得人们不得不想出新的方法来解决能源问题，所以，对新型的有关于能量储存装置的研究就显得格外的重要。所以既兼备传统电容器和二次电池的优异特性，而且又能具有比传统电容器更高的比电容值、比二次电池更高的比电率和更持久的寿命的超级电容器就应运而生了。超级电容器（supercapacitor）,要比传统电容器的能量密度值高很多，它的功率密度一般要大于1000W/kg[1]。从原理上说，电化学电容器，按照储存电容的方式的不同，可以分为双层电容器和法拉第准电容器，一般的，我们把将电荷存储在电极/电解质溶液界面处电双层中的这种电容器称为双电层电容器，而把利用发生在电极的表面，利用法拉第反应原理来存储电荷，而且多数情况下，是以某些过渡的金属氧化物做为电极材料的电容器称为赝电容器[2]，又可以称作是法拉第准电容器。由于电化学电容器拥有很多的优点，比如说循环寿命长、功率密度大、电容量大等等，使它在消费电子、移动通讯、电动交通工具（比如有轨电车），航空航天等许许多多的领域都具有非常大的应用价值。

在富勒烯和碳纳米管发现之后，科学家们又发现了一种新型碳同素异形体：石墨烯。由于它具有十分独特的原子结构和电子结构，使得其在许多方面都表现出了与传统材料所不具有的非凡特性，而它有很多的优良特性非常符合超级电容器对电极材料的要求。而近一步对石墨烯进行化学改性，比如说表面官能团化、生成衍生物、化学修饰、化学掺杂等，能够更加有效地改变石墨烯的结构和性能，实现了它更加广阔的应用。本次实验也对石墨烯进行了改性，方法是化学掺杂，采用的是N掺杂，这种方法的可行性是因为N原子具有和C原子较为相似的原子半径，所以，N元素可以作为电子的供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂，使得生成的氮掺杂石墨烯表现出比不掺杂石墨烯更多优异的性能。

由于氧化锰资源分布广泛、环境友好而且价格低廉，还具有一定的电容特性，因此受到社会各界的广泛关注，本次实验同样使用了二氧化锰做为电极改性材料，选择主要有两个方面的原因：第一是纳米型二氧化锰具有较大的比表面积，有利于电子的迁移而提高导电性；第二是因为它本身也会发生氧化还原反应形成赝电容，这样也可以提高整体电容器的电容量。