石墨高负载纳米结构氢氧化钴及其电容性能研究 - 图文

石墨高负载纳米结构氢氧化钴及

其电容性能研究

王洪1，王鹏2，孙莉娟3，谢灵劼4

（1. 哈尔滨工程大学，黑龙江省哈尔滨市 150001；2.哈尔滨工程大学，黑龙江省哈尔滨市 150001；

3.哈尔滨工程大学，黑龙江省哈尔滨市 150001；4.哈尔滨工程大学，黑龙江省哈尔滨市 150001）

摘 要：高储能密度的还原氧化石墨可以建立复杂的和可控的石墨烯纳米系统与其他功能分子。在本文中,

还原氧化石墨与聚苯乙烯磺酸钠通过π-π非共价键结合成稳定的水分散液,可以得到良好的带正电的Co类水滑石大型复合纳米层。溶液处理可通过絮凝分散体减少氧化石墨/聚苯乙烯磺酸钠和钴类水滑石的团聚。浸泡和干燥的制造工艺简单,类似于那些广泛用于纺织行业染色纤维和织物的过程，将促进大规模工业化和现实化。在多层累积和电化学性能的材料研究表明：电容材料的性能是181 F / g、14.7 F /cm2，与潜在性能有巨大改进。结果显示一个有前途的方法是低成本、高性能耐磨、环保、大规模储能系统和各种功能的应用前景。

关键词：超级电容；定向生长；纳米线；石墨烯

Graphite Nano Structure Cobalt Hydroxide And High Load

Capacitance Performance Research

WANG Hong

1

, WANG Peng 2,SUN Li-juan 3,XIE Ling-jie4

(1． Harbin engineering university, Harbin Heilongjiang province 150001; 2. Harbin engineering university, Harbin Heilongjiang province 150001; 3. Harbin engineering university, Harbin Heilongjiang province 150001; 4. Harbin engineering university, Harbin Heilongjiang province 150001)

ABSTRACT：Highly charged state of the reduced graphite oxide makes it possible to build up complex and controllable graphene-based nanosystems with other functional molecules. In this article, stable aqueous dispersion of rGO could be prepared by using noncovalent functionalization of rGO nanosheets through π-π interactions with poly(sodium-4-styrenesulfonate), and well-defined positively charged Co-hydrotalcite-like compound nanosheets were obtained by delamination of large-sized particles in formamide. Solution-processed wearable reduced graphite oxide/ poly(sodium-4-styrenesulfonate)/Co-hydrotalcite-like compound porous nanostructured textiles by using the flocculation of the dispersions of oppositely Co-hydrotalcite-like compound nanosheets and reduced graphite oxide -poly(sodium-4-styrenesulfonate). The dip and dry fabrication process is simple and scalable, similar to those widely used for dyeing fibers and fabrics in the textile industry, the process will be promoting for large-scale industrialization and actualization. The multilayer buildup and electrochemical performances of the materials were studied. The specific capacitance of the active materials is up to 181 F/g, 14.7 F/cm3, 0.539 F/cm2 with potential great improvement. The results show a promising way for low cost, high-performance wearable, environmentally friendly, large scale energy storage system and various functional applications. Key words: supercapacitors; directional growth ; nanowire; graphene

引言：不可再生的化石燃料的过度依赖不仅带来严重的生态问题，而且对全球气候也产生着持续的影响，因而能源问题是21世纪最重要的问题[1,2]。超级电容器作为一种新

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兴的储能材料，由于具有长寿命、高功率以 及环境友好等特点目前倍受科研工作者们的关注[3,4]。其中电极材料又是制约其发展 作品来源：2012第二批科研立项

作者简介：王洪(1991-), 男, 2011级,材料化学 指导教师：王君(1973-), 男, 教授,材化学院

的关键瓶颈，因此开发具有优异性能和良好稳定性的电极材料成为电化学科研工作者们探究的热点方向。超级电容器分为双电层电容器和赝电容器两种，双电层电容器的电极材料主要是大比表面积的碳材料（比如碳 纳米管、活性炭、碳纤维、石墨烯等）。而赝电容电极材料具有高电化学活性的特点，因而其比容量和能量密度要比双电层电容器高得多，这类材料主要包括过度金属氧化 物及氢氧化物，导电聚合物等[5-7]。本项目采用石墨烯作为基底，经活化处理使表面官能团化，经水热法附着生长氢氧化钴，从合成工艺及后处理工艺入手，解决无效负载的问题。采用石墨烯作为基体，有良好的导电性，有利于电容的电子传递；活化后性能活泼，有利于纳米线在其上面生长。纤维布经过rGO-PSS（还原氧化石墨—聚苯乙烯磺酸钠）后使rGO附着在纤维布上，然后将纤积，从而决定电容的储能性能，因此获得尺寸小，长度长的纳米线是实验的关键，当然基底的导电性等也决定着实验最后效果。

图1：纤维布的SEM形貌

小纺织纤维有一个层次结构复杂的地表形态、官能团如羟基和高孔隙度。每个纤维是由多个个体棉花纤维,是由多个微纤维捆绑在一起。这个结构允许纤维吸收大量的水或其他极性溶剂,当放置在溶液纤维会膨胀[8]。在我们的工作将纺织品作为多孔衬底材料是由缠绕纤维平均直径约10 - 20μm(图1)。当纺织品浸入带负电荷的稳定乳液时,他们很快通过强氢键和范德华力在纤维上涂上一层均匀的 rGO-PSS涂层。 1材料SEM的测试结果

实验部分

1、导电基底合成

（1）将纤维布在rgo-pss分散液中浸渍后，将其干燥得到导电基底 2、反应溶液的配制

（1）称取适量六水硝酸钴、氟化铵、尿素（摩尔比1:5：5）溶解在去离子水中配成溶液。

（2）在磁力搅拌作用下反应10分钟。 3、水热法表面生长纳米线

（1）将导电基底浸泡硝酸活化处理。 （2）将导电基底放入反应釜内使纳米线能充分均匀地生长在导电基底上，然后加入反应溶液。

（3）将反应釜置于内置环境温度为120℃加温炉中加热6小时。

（4）自然冷却至室温，然后初步冲洗。 （5）将导电基底在超声清洗。

图2：Gu(OH)2的纳米结构表征

图3：Gu(OH)2纳米结构表征

由上图可以清楚看出氢氧化钴纳米线结构 均一，在基底上紧密生长，说明rGO有利 于氢氧化钴在其生长。 2材料的XRD测试结果

结果及其讨论

2

的RGO PSS和干燥以除去溶剂，通过浸渍和干燥过程中，大面积的导电纺织品涂层具有多层RGO-PSS。然后涂布织物作为支持材料，氢氧化钴连续在RGO-PSS上生长，这个可能是一个不断溶解生成的过程。 通过公式(1)可计算的不同扫速下自组装材料的面积比电容，即：

图4：Co(OH)2的XRD表征结果

Cs?XRD结果表明，峰值约10°，是GO的特征峰。超声波处理后的峰值下降明显，这表明GO脱落。分散的峰值范围在20-30°提供存在片层的证据。

3：电容的充放电测试

1?IdV (1)

vS(?V)0.4a: 5 mA?cm-2Potential/V(vs? SCE)0.30.20.10.0-200-2b: 10 mA?cm-2c: 20 mA?cm-2d: 30 mA?cm-2e: 50 mA?cm 注：v：扫描速率；S：材料有效面积； ΔV：窗口电压。

可以计算出RGO-PSS纤维布活性物质的电容特性为94.7 F / g，RGO-PSS-Co(OH)2活性物质的电容特性为181 F / g.。证明RGO-PSS-Co(OH)2材料的电容性能远远超过RGO PSS。纺织品的RGO-PSS的表面上获得良好的导电性涂层，RGO-PSS对质量比电容，一个更重要的影响，PSS，活性物质的大部分，是不可避免的在水中溶解的电化学测试。特定的电容在质量单位,Cm(F / g),没有评估材料性能。

edcba20406080100120140160180结论

总之，本文研究了纤维经过溶液处理过生长的多层RGO-PSS-水滑石多孔纳米的方法，及其堆叠情况和对电容器性能的影响。在处理纤维布生长纳米结构的方法可以使活性材料的得到有效广泛使用。 致谢

感谢王老师这半年来在学术上为我们指引方向，并传授给我们专业知识和科学研究方法，使我们具备了从事科学研究的能力，增强了在未知领域不断探索的信心和决心。在实验及撰写论文的过程中，王老师运用丰富的理论经验和实践经验对我们进行了细致、耐心的指导，我们的每一点进步都凝聚着老师的心血。在此向王老师致以最诚挚的敬意和感谢！

特别感谢钱中宇学长在实验操作和分析测试中的诸多帮助，他的帮助让我们受益匪浅，使我们的实验能顺利进行。

最后，向我们的学院致谢，正是学院给我们这机会，使我们能够全身心的投入到科

Time/s 图5：材料的放电曲线

200Current density/(mA?cm)150100500-50-100-150-200a: 5 mV?s-1b: 10 mV?s-1c: 20 mV?s-1d: 30 mV?s-1e: 50 mV?s-1a-2ecbd0.60.50.40.30.20.10.0-0.1-0.2Potential/V(vs? SCE) 图6：材料的充放电曲线

循环伏安法的RGO-PSS-水滑石在不同电流条件下的放电曲线图（5）。恒流充放电法在5毫伏/秒的扫描率不同电流下的充放电情况图（6）。

纺织品浸到带负电荷的稳定的分散体

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研工作中去，取得了今天的成绩!

感谢所有关心和帮助过我们的人！

Porous, and Conductive Energy Textiles. Nano Letters 2010, 10, 708-714.

参考文献：

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[8]Hu, L.; Pasta, M.; La Mantia, F.; Cui, L.; Jeong, S.;Deshazer, H. D.; Choi, J. W.; Han, S. M.; Cui, Y., Stretchable,

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