基于石墨烯量子点的储能器件电极性能研究

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近年来,石墨烯作为最热门的材料,在储能、场发射以及传感器等领域得到了广泛的应用。石墨烯量子点(GQDs)作为其中的一员,不仅继承了石墨烯化学性质稳定、电导率低以及制备方法多等特点,又兼具量子点的量子尺寸效应、边缘效应以及荧光效应等独特特性,因而在生物成像、荧光检测以及光电转换等领域展现了广阔的应用前景。另外,相比于CdS等传统的量子点,石墨烯量子点丰富的含氧基团和边缘缺陷,可以更好的吸附金属离子,在储能领域也表现出巨大的潜力。石墨毡(GF)是一种成本低廉、性质稳定并且导电性良好的三维多孔碳基材料,具有耐腐蚀和比表面积大等特点,适合成为储能器件的电极材料。因此鉴于石墨烯量子点与石墨毡在储能方面的巨大优势,将石墨烯量子点与石墨毡结合,在电化学储能领域具有很好的研究价值与应用前景。本文首先利用有机溶剂辅以超声法对石墨毡进行清洗。接着采用一种“自下而上”的化学合成法制备石墨烯量子点溶液。通过超声将石墨烯量子点修饰到石墨毡表面,最终制得石墨烯量子点修饰的石墨毡。为了证明石墨烯量子点成功附着到石墨毡表面。首先通过荧光分光光度计和透射电子显微镜证明成功制备出石墨烯量子点溶液。接着通过场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱以及X射线光电子能谱对石墨毡的表面形貌进行表征。根据表征结果证明石墨烯量子点成功附着到石墨毡表面。将不同浓度与不同碳化时间制备的石墨烯量子点修饰的石墨毡电极与原始石墨毡电极分别置于1 mol.L-1的KOH水溶液中,经过循环伏安测试、充放电测试、电化学阻抗谱以及Tafel曲线等一系列电化学测试,发现GQDs/GF-1/2电极具有最佳的超级电容器特性。石墨烯量子点能有效减小石墨毡与溶液的接触电阻,增加石墨毡电极的放电时间。GQDs/GF-1/2电极在1 mA.cm-2的放电电流密度下具有2394 F.g-1的超高比容量。另外附着到石墨毡表面的石墨烯量子点还可以对石墨毡表面起到保护作用,经过5000次的充放电测试,比容量基本保持不变,容量保持率达到95%,具有非常优异的超级电容器特性。接着在3 mol.L-1的ZnI2水溶液中分别对具有最佳电化学性能的石墨烯量子点修饰的石墨毡电极和原始石墨毡电极进行了一系列的循环伏安测试(CV)和电化学阻抗谱测试(EIS),结果表明,石墨烯量子点修饰的石墨毡电极比原始石墨毡电极具有更低的接触电阻和更杰出的性能,将其作为锌碘电池的电极是完全可行的。因而使用工业设计软件设计出非液流的锌碘电池结构,将石墨烯量子点修饰的石墨毡电极和原始石墨毡电极分别作为锌碘电池的负极组装成电池。利用蓝电测试系统测试发现,石墨烯量子点修饰的石墨毡电极能降低电池的欧姆降。在库伦效率接近的情况下,石墨烯量子点修饰的石墨毡电极具有更高的电压效率和能量效率。这些结果表明石墨烯量子点附着到石墨毡表面能提高锌碘电池的性能。另外47次的充放电测试发现,石墨烯量子点修饰的石墨毡电极组装的电池,放电容量基本保持不变,容量保持率达到99%以上,而使用原始石墨毡组装的电池则有较为明显的衰减,仅为43%。这些结果无疑都表明了将石墨烯量子点修饰的石墨毡电极用于锌碘电池是非常有前途的。
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