论文总字数：25350字

摘 要

石墨烯是一种单层石墨，表现出许多引人注目的独特性能，例如优异的电子电导率，高表面积，大的表面积与体积比，良好的机械性能等。由于其高理论电导率的特点，在过去的十几年里，石墨烯成为电化学领域的的研究热点。

本文以石墨烯纳米片和醋酸钴为原料，经微波水热法获得GNSs/Co₃O₄复合材料。以XRD观察Co₃O₄纳米颗粒分布在石墨烯基质上的具体形貌状况，用场发射扫描对所制备的纳米复合材料进行了物相分析。通过分析不同电流密度下的放电曲线及CV曲线评估该材料作为电极的电化学性能，于是可以得出在120 ℃，30 min的实验条件下，以石墨烯纳米片为基板合成的Co₃O₄/石墨烯纳米复合材料形貌尺寸比较均匀，具有最佳的电化学性能，在18 A·g^-1的电流密度下，比电容最大达到730 F·g^-1。这提供了通过控制材料的水热条件来显着改善石墨烯电极材料的电容性质的策略。

关键字： 电化学性能 电极材料 石墨烯复合材料 超级电容器 Co₃O₄

Preparation and Electrochemical Properties of GNSs/Co₃O₄ Composite

Abstract

Graphene is a single-layered graphite that exhibits many attractive and unique properties such as excellent electronic conductivity, high surface area, large surface area to volume ratio, good mechanical properties, and the like. Due to its high theoretical conductivity, graphene has become a research hotspot in the field of electrochemistry in the past decade or so.

In this paper, GNSs/Co₃O₄ composites were obtained by microwave hydrothermal method using graphene nanosheets and cobalt acetate as raw materials. XRD was used to observe the specific morphologies of Co₃O₄ nanoparticles on graphene olefins. The phase of the nanocomposites was analyzed by field emission scanning. By analyzing the discharge curves and CV curves at different current densities, the electrochemical performance of this material as an electrode was evaluated. Thus, it can be concluded that the graphene nanosheets were used as the substrate for the synthesis of Co₃O₄/graphene under the experimental conditions of 120 °C and 30 min. The nanocomposite has uniform morphology and the best electrochemical performance. Under the current density of 18 A·g^-1, the specific capacitance reaches 730 F·g^-1. This provides a strategy to significantly improve the capacitive properties of the graphene electrode material by controlling the hydrothermal conditions of the material.

Keywords: Electrochemical Properties ; Electrode Materials; Graphene Composites; Supercapacitor ; Co₃O₄

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

1.3石墨烯复合材料简介 5

1.4石墨烯复合材料在电化学储能领域的进展 7

1.4.2作为燃料电池的催化剂 8

1.4.3作为超级电容器的电极 9

第二章 GNSs/Co₃O₄复合材料的合成及表征方法 12

2.1 GNSs/Co₃O₄复合材料的合成 12

2.1.1 实验原料 12

2.1.3 实验中应用的设备和仪器 12

2.1.3 实验步骤 13

2.1.4 实验流程图 14

2.2 电极材料的制备 14

2.3 材料表征 15

第三章 实验结果与讨论 16

3.1 微波水热温度对形貌和物相的影响 16

3.1.1 微波水热温度对形貌的影响 16

3.1.2 微波水热水热温度对产物物相的影响 17

3.2 微波水热时间对形貌和物相的影响 18

3.2.1 水热时间对形貌的影响 18

3.1.2水热时间对物相的影响 19

3.2 电化学性能测试 20

第四章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 24

参考文献 25

致谢 28

第一章 绪论

1.1引言

石墨烯作为一种单层石墨，具有显着的高机械和电学性能。它在室温下具有非常高的载流子迁移率和量子霍尔效应，独特的结构和性能使得其在超级电容、材料增强增韧，传感器等领域得以应用，为现代科技的前进拓宽了空间。

现代社会中电子设备的快速发展需要快速的能量储存和稳定的循环器件，这些器件可以在较长时间内迅速充电并保持能量。超级电容器，以其充放电速率快，储电能力强，电容量大，高功率密度等良好的性能在现代的储能领域占领了极为重要的地位。其具有功率密度高，循环稳定性好，成本低等优点，并且由于其高功率，高能量密度和清洁的系统而被广泛用作各种设备的能源，包括可移动电子设备，电动汽车（EV）和储能系统（ESS）等。近几年来，越来越多的科研人员参与到了超级电容器的研究大潮之中。超级电容器的工作核心在于其本身的电极，那么选用一个具有良好的电化学性能的电极材料在超级电容的研究中显得尤其重要，而石墨烯独特的性质使其成为储能领域的的新型电极候选者。

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