第 1章 绪 论
1.1 引言
能源对人类的生存与发展起着十分重要的作用，人与自然和谐发展是全人类共同的愿望，然而诸如石油、煤、天然气等非再生矿物性能源已日益枯竭，这已是不争的事实。我国是能源短缺的国家之一，能源的问题已严重制约着我国经济的发展。随着非再生的矿物能源不断消耗，并伴随产生的环境污染等问题已对人类的生存产生了极大的威胁。寻求清洁、绿色、可再生的能源已成为人们迫切的需要。现在一方面，人们踊跃地利用如太阳能、风能、地热等可再生的能源；另一方面，也在大力开发新的能量贮存装置。
Supercapacitors，其中文名称为超级电容器，它是一种同时兼有传统电池与静电电容器性能优点的新型贮能器件。当前已被大量应用于电动车、通信、后备电源、航空航天以及军事等领域中。现阶段诸如美国、日本等国家已对超级电容器进入了深入的开发与利用，并且科研学者也将其精力投向超级电容器电极材料的研发与创新。由此可以看出，超级电容器已是当前能源储能装置研究的热点方向之一。
1.2 超级电容器概述
1.2.1 超级电容器的发展史
随着便携式电子设备的日益普及，追求新颖的能量存储装置已经变得越来越迫切，电化学电容器作为一种新型储能器件已经引起了研究者的广泛关注，并取得了丰富的研究成果。其储能原理在于电极表面层上形成的双电层或者产生二维或准二维的法拉第氧化还原反应等方式来进行电能的贮存。在电化学电容器探索的发展过程中，首先应该晓得电的发展过程。对于电的认知与研究始于 17世纪，德国物理学者Guericke 于 1663年运用手与硫磺球相互地摩擦就能够产生静电。英国著名的科学家 Gray 在 1729 年成功地证实了蚕丝不能够导电，然而金属则能够导电并辨别与区分开了非导体与导体。法国研究者Du Fay将电区分为“玻璃电”与“松香电”即正电与负电。随后对电的认知与研究经历了一个漫长的历程，直到19 世纪初期，由于 Faraday、J.J.Tomson 以及 Milikan 等学者的研究工作成果，人们才能从分子、电子水平对电进行认知与研究。
在电化学电容器的研究之中，Leyden jar（莱顿瓶）的发明具有重要的历史性意义。荷兰伟大的学者克莱斯特和卡明1746于荷兰如今莱顿区域发明了一个具有贮能功能的装置，并且他们将其以当地的地名 Leyden 来命名，命名为 Leyden jar即最早的电化学电容器。该器件在早期的英语术语中被称为“Condenser”，后来改为“Capacitor”。起初的莱顿瓶是用玻璃瓶来构造的，瓶里盛满酸性电解液作为导体，瓶的表面粘黏上一层金属箔，而中间的玻璃则作为介电材料。后经改良工艺，运用玻璃板来作为介电材料，金属箔则粘黏在玻璃的两侧，或者采用金属版来构成，中间则由空气或真空来隔绝。图1-1 为各种样式的电容器。
第 2 章 实验材料及表征方法
2.1 实验试剂与原材料
实验试剂与原材料如表 2-1 所示：
注A.R=分析纯
2.2 实验仪器
实验过程中使用的仪器及其型号如表2-2 所示:
第3章 石墨烯的制备与电容性能研究..................25
3.1 引言....................25
3.2 实验部分...........................25
3.2.1 GO的制备...........................25
第4章 镍铁水滑石的制备与电容性能研究..........................39
4.1 引言....................39
4.2 实验部分...........................39
第5章 石墨烯/镍铁水滑石复合物的制备与电容性能研究............55
5.1 引言........................55
5.2 实验部分..........................55
第 5章 石墨烯/镍铁水滑石复合物的制备与电容性能研究
5.1 引言
LDHs类化合物因其低廉的价格、便于制备等优点，使其应用到超级电容器中具有一定的应用前景。通过掺杂引入过渡金属元素（如镍、钴）会使LDHs在碱性溶液中具有氧化还原性质，进而可以提供赝电容，并且LDHs具有片层结构同时还可以提供双电层电容。虽然LDHs作为电极材料应用到储能领域中具有广阔的前景，但是LDHs自身差的导电性能会严重影响其电容性能。然而，2004年以来，GNS的出现在电化学储能领域已引起了众多学者们浓厚的兴趣。本章以第三章研究的GNS同第四章研究的NiFe-LDHs相结合，通过引入不同量GNS来合成GNS/NiFe-LDHs复合物，以期待提升NiFe-LDHs的电容性能。对合成的GNS/NiFe-LDHs复合物进行结构与形貌分析，探索GNS加入量对GNS/NiFe-LDHs复合物电容性能的影响。
5.2 实验部分
5.2.1GNS的制备
将33mg GO溶于去离子水中配制成 100mL 浓度为0.33 mg/mL 的溶液，超声60 分钟，随后用高速离心（转速为 10000 转/分钟）将悬浮液体离心 10 分钟，采集上层亮黄色液体。随后加入质量分数为 80 %水合肼（100 μL)以及质量分数为25 %氨水(700 μL)，剧烈搅拌 5 分钟。随后，将其置入 90 ℃水浴锅中加热 1 h，冷却至室温得黑色液体溶液（反应液无团聚现象）。用聚四氟乙烯膜（孔径为0.45um）真空抽滤黑色液体溶液，并用去离子水洗涤产物 5次至中性，然后超声波分散到 90 mL去离子水中，备用。
结 论
本文分别制备了 GNS﹑NiFe-LDHs 和它们的原位复合物，并研究了它们各自的电容性能。取得了以下研究成果：
（1）采用改良的 Hummers 法制备了 GO。通过对不同浓度 GO 进行水合肼还原制备出了结构与形貌不尽相同的石墨烯（GNS-1 和GNS-2）。发现使用低浓度的经高速离心后的GO 能够制备出层数较少的GNS-2，其比表面积高达 818.03m2/g；而使用高浓度的未经高速离心后的GO，还原后能够制备出层数较多的GNS-1，其比表面积为469.58 m2/g。电化学性能测试结果表明 GNS-2 具有较 GNS-1 更为优异的电化学性能，在 0.1A/g 的电流密度下比电容高达 186.9 F/g，并在5A/g 的电流密度下，经过2000 次循环测试后比电容保持率为96.2%。
（2）运用水热合成法在两种不同反应条件下分别制备了两种镍铁水滑石（NiFe-LDHs-1 和NiFe-LDHs-2）。结构表征与形貌观察表明，二者均是碳酸根离子插层的 NiFe-LDHs。然而，NiFe-LDHs-1 产物结晶相不纯，含有少量杂相物质（β-NiOH），并且比表面积较小（41.67m2/g）；而NiFe-LDHs-2 产物结晶相纯，无杂相物质，并且比表面积较大（44.71m2/g）。电化学性能测试结果显示两者均呈现出赝电容性能，但是其导电性能、循环稳定性均较差。相比而言，NiFe-LDHs-2的电容性能较好，在0.5A/g和4A/g的电流密度下，比电容分别为1017 F/g和428.2F/g，并在2A/g 电流密度下循环 500次后，比电容衰减为 367.8F/g,比电容保持率为49.6 %。
（3）运用水热合成法制备出了不同GNS 含量的GNS/NiFe-LDHs 复合物。结构表征发现GNS 的加入并未改变 NiFe-LDHs 的晶型结构，只是其结晶性能有所降低。形貌表征发现 GNS 使复合物形成了疏松、开放的结构，提升了材料的比表面积。TG 表征发现 GNS/LDHs-1 中加入 GNS 量约为 5.9 %，GNS/LDHs-2 中加入GNS 量约为11.1 %，GNS/LDHs-3 中加入 GNS 量约为 15.0 %。电化学性能测试结果表明GNS的加入提升了NiFe-LDHs的电化学性能，特别是比电容和循环稳定性。三组 GNS/NiFe-LDHs 复合物中GNS/LDHs-2 电容性能最好，在0.5A/g 和4A/g 的电流密度下，比电容分别为 1448F/g 和708.8F/g，并在2A/g 电流密度下循环 500次后，比电容衰减为 651.3F/g,比电容保持率为66.3%。
参考文献（略）