基于石墨烯量子点的平面片上微型超级电容器性能研究

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目前,随着小型电子产品的普及以及需求量的增大,对储能系统方面的要求同样增高,并对新型储能系统的需求也是越来越大。在众多储能系统中,平面片上微型超级电容器具备着诸多的优异特性,如:较短的离子传输路径、更大的比电容、良好的安全性等等。电极材料,作为电容器的重要组成部分,在很大的程度上决定了平面片上微型超级电容器的性能,石墨烯量子点(Graphene Quantum Dots,GQDs)具有纳米尺寸、丰富的边缘缺陷、良好的导电能力、高的迁移率、较好的化学稳定性和易于功能化等优势特征,是一种十分理想的电极材料。本文采用改进的气液界面自组装法制备了氮氧共掺杂-石墨烯量子点薄膜,并以GQDs薄膜为电极,制备出平面微型片上超级电容器。本文采用改进气液界面自组装法,将2 mg/ml的GQDs水溶液作为电极原材料制备电极薄膜,并且对电极薄膜进行原子力显微镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱测试及透射电子显微镜测试。采用的GQDs材料平均粒径为7.4 nm,制备出纳米级厚度的GQDs薄膜中的碳、氧、氮的原子比为4.3:2.9:2.8,GQDs薄膜的平均厚度为12 nm。本文采用GQDs薄膜电极制备平面片上微型超级电容器,并对制备完成的器件进行循环伏安测试,计算其电化学性能。对基于GQDs平面片上微型超级电容器进行循环伏安(Cyclic Voltammetry,CV)测试,测试扫速范围为0.1 V s-1~10000 V s-1。在扫速为0.1 V s-1时,器件的面电容与体电容分别是4.1355μF cm-2和3.4463 F cm-3,其能量密度为478.6458μWh cm-3。在扫描速率达到10000V s-1时,器件的功率密度为。器件整体的电化学性能在10000 V s-1扫描速率下,经过10000次循环依然保持98%。而将基于GQDs平面片上微型超级电容器(GQDs-based planar on-chip micro-supercapacitors,GQDs-MSCs)的电化学性能与相同制备方法和规格的还原氧化石墨烯基平面片上微型超级电容器(reduced graphene oxide-based planar on-chip micro-supercapacitors,RGO-MSCs)的电化学性能相比,在高扫描速率下,GQDs-MSCs具备更好的功率性能。本文实验表明,通过改进气液界面自组装法制备的基于氮氧共掺杂石墨烯量子点平面片上微型超级电容器具备良好的应用前景。
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