清洁能源化学与材料实验室知识库

超级电容器，一种介于传统的物理电容器和锂离子电池之间的新型储能器件，具有快速充放电性能、高功率密度、长循环寿命、工作温度范围宽等优点。然而，目前其能量密度较低，难以满足应用中对高性能电容器的需求。对材料进行纳米化，是实现高性能超级电容器的有效方式。石墨烯量子点是石墨烯的纳米片(<100 nm)，具有量子限域效应和边缘效应。氢氧化镍作为一种典型的赝电容材料，然而纳米尺寸的氢氧化镍容易团聚，限制其电化学性能的体现。本论文主要研究尺寸可控的石墨烯量子点的制备及尺寸对电化学性能的影响。同时，利用协同作用设计氢氧化镍量子点与石墨烯复合材料在超级电容器中应用，全文所得结论如下：

1. 尺寸可控的石墨烯量子点的制备及尺寸效应对电化学性能影响的研究。利用氨水和过氧化氢的协同作用，采用简单的水热法，通过调节氨水和过氧化氢的配比，制备尺寸可控、可调的石墨烯量子点。于此，将获得的不同尺寸石墨烯量子点及石墨烯碎片进行电化学性能表征，在 1M Na₂SO₄电解液中，最小尺寸的石墨烯量子点展现出最高的扫速可达5000 V/s和快速的频率响应(弛豫时间0.63 μs)及最低的比容量3.3 F/g。随着活性材料尺寸的增加，比容量逐渐增加，展现良好的线性关系。结果表明，小尺寸的石墨烯量子点在高频率响应的微电子器件中展现出良好的应用。

2. 利用石墨烯作为支撑材料制备氢氧化镍/石墨烯复合材料，同时利用氢氧化镍作为层间阻隔剂改性石墨烯，利用一体化协同作用同时提高彼此的电化学性能。发现石墨烯作为支撑材料能够有效降低氢氧化镍量子点的表面能、减少其团聚。同时利用氢氧化镍作为石墨烯的层间阻隔剂，有效的减少石墨烯在干燥和热处理过程中的堆叠、进而实现更大的表面积和更多活性位点的暴露。电化学测试结果显示，在0.5 A g^-1 电流密度下，氢氧化镍/石墨烯复合材料的比容量可达1717 F/g；在电流密度高达100 A/g时，改性的石墨烯的比容量高达 182 F/g。基于这两种优异的正负极材料，构建的不对称超级电容器，电压窗口可达1.6 V，其最大输出能量密度75 Wh kg^-1，即使在40 KW kg^-1的功率密度下，能量密度可实现21 Wh kg^-1。