水热反应温度对三维还原氧化石墨烯的形貌、结构和超级电容性能的影响

汪建德 彭同江 孙红娟 侯云丹

引用本文: 汪建德, 彭同江, 孙红娟, 侯云丹. 水热反应温度对三维还原氧化石墨烯的形貌、结构和超级电容性能的影响[J]. 物理化学学报, 2014, 30(11): 2077-2084. doi: 10.3866/PKU.WHXB201409152 shu
Citation:  WANG Jian-De, PENG Tong-Jiang, SUN Hong-Juan, HOU Yun-Dan. Effect of the Hydrothermal Reaction Temperature on Three-Dimensional Reduced Graphene Oxide's Appearance, Structure and Super Capacitor Performance[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(11): 2077-2084. doi: 10.3866/PKU.WHXB201409152 shu

水热反应温度对三维还原氧化石墨烯的形貌、结构和超级电容性能的影响

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(41272051) (41272051)

    西南科技大学博士基金(11ZX7135) (11ZX7135)

    西南科技大学研究生创新基金(14ycx003)资助项目 (14ycx003)

摘要:

以氧化石墨凝胶制备的氧化石墨烯溶胶为前驱体, 在120-220 ℃条件下, 采用水热法制备了系列不同还原程度的三维还原氧化石墨烯, 采用扫描电镜(SEM), X射线衍射(XRD), 傅里叶变换红外(FTIR)光谱, X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试等手段研究了水热反应温度对材料形貌、结构和超级电容性能的影响. 结果表明: 采用水热法制备的三维还原氧化石墨烯呈多孔网状结构, 材料的体积和内部网状孔径随着水热反应温度的升高而减小; 同时, 氧化石墨烯的还原程度随反应温度的升高而增加, 有序度提高, 其结构逐渐向着类石墨结构转化; 而材料的比电容和能量密度则随反应温度的升高呈现出先增大后减小的趋势, 且均以双电层电容为主;相比之下, 当水热反应温度为180 ℃时, 制备的三维还原氧化石墨烯具有最佳的超级电容性能, 在电解液为6mol·L-1的KOH溶液中, 0.5 A·g-1电流密度下其比电容达到315 F·g-1, 10 A·g-1时仍能保持212 F·g-1的高比容量, 能量密度为40.5 Wh·kg-1, 5000次循环后比电容保持率为86%, 表现出了良好的电化学性能.

English

    1. [1]

      (1) Sarangapani, S.; Tilak, B. V.; Chen, C. P. J. Electrochem. Soc. 1996, 143 (11), 3791. doi: 10.1149/1.1837291

      (1) Sarangapani, S.; Tilak, B. V.; Chen, C. P. J. Electrochem. Soc. 1996, 143 (11), 3791. doi: 10.1149/1.1837291

    2. [2]

      (2) Arbizzani, C.; Mastra stino, M.; Soavi, F. J. Power Sources 2001, 100 (1), 164.(2) Arbizzani, C.; Mastra stino, M.; Soavi, F. J. Power Sources 2001, 100 (1), 164.

    3. [3]

      (3) Zheng, J. P.; Jow, T. R. J. Power Sources 1996, 62 (2), 155. doi: 10.1016/S0378-7753(96)02424-X(3) Zheng, J. P.; Jow, T. R. J. Power Sources 1996, 62 (2), 155. doi: 10.1016/S0378-7753(96)02424-X

    4. [4]

      (4) Zheng, J. P.; Jow, T. R. J. Electrochem. Soc. 1995, 142 (1), L6.(4) Zheng, J. P.; Jow, T. R. J. Electrochem. Soc. 1995, 142 (1), L6.

    5. [5]

      (5) Frackowiak, E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9 (15), 1774.(5) Frackowiak, E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9 (15), 1774.

    6. [6]

      (6) Zhu, Y.; Murali, S.; Stoller, M. D.; Ganesh, K. J.; Cai,W.; Ferreira, P. J.; Ruoff, R. S. Science 2011, 332 (6037), 1537. doi: 10.1126/science.1200770(6) Zhu, Y.; Murali, S.; Stoller, M. D.; Ganesh, K. J.; Cai,W.; Ferreira, P. J.; Ruoff, R. S. Science 2011, 332 (6037), 1537. doi: 10.1126/science.1200770

    7. [7]

      (7) Liu, D.; Shen, J.; Li, Y. J.; Liu, N. P.; Liu, B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (4), 843. [刘冬, 沈军, 李亚捷, 刘念平, 刘斌. 物理化学学报, 2012, 28 (4), 843.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201202172(7) Liu, D.; Shen, J.; Li, Y. J.; Liu, N. P.; Liu, B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (4), 843. [刘冬, 沈军, 李亚捷, 刘念平, 刘斌. 物理化学学报, 2012, 28 (4), 843.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201202172

    8. [8]

      (8) Lei, Y.; Li, J.;Wang, Y.; Gu, L.; Chang, Y.; Yuan, H.; Xiao, D. ACS Appl. Mat. Interfaces 2014, 6 (3), 1773. doi: 10.1021/am404765y(8) Lei, Y.; Li, J.;Wang, Y.; Gu, L.; Chang, Y.; Yuan, H.; Xiao, D. ACS Appl. Mat. Interfaces 2014, 6 (3), 1773. doi: 10.1021/am404765y

    9. [9]

      (9) Chen, L.; Li, B.; Qi, Z.; Guo, H.; Zhou, J.; Li, L. J. Electron. Mater. 2013, 42 (10), 2933.(9) Chen, L.; Li, B.; Qi, Z.; Guo, H.; Zhou, J.; Li, L. J. Electron. Mater. 2013, 42 (10), 2933.

    10. [10]

      (10) Jin, Y.; Chen, H. Y.; Chen, M. H.; Liu, N.; Li, Q.W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (3), 609. [靳瑜, 陈宏源, 陈名海, 刘宁, 李清文. 物理化学学报, 2012, 28 (3), 609.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201201162(10) Jin, Y.; Chen, H. Y.; Chen, M. H.; Liu, N.; Li, Q.W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (3), 609. [靳瑜, 陈宏源, 陈名海, 刘宁, 李清文. 物理化学学报, 2012, 28 (3), 609.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201201162

    11. [11]

      (11) Ma, J.; Liu, Y.; Hu, Z.; Xu, Z. Solid State Ionics 2013, 19 (10), 1405.(11) Ma, J.; Liu, Y.; Hu, Z.; Xu, Z. Solid State Ionics 2013, 19 (10), 1405.

    12. [12]

      (12) Mao, L.; Zhang, K.; Chan, H. S. O.;Wu, J. J. Mater. Chem. 2012, 22 (5), 1845. doi: 10.1039/c1jm14503g(12) Mao, L.; Zhang, K.; Chan, H. S. O.;Wu, J. J. Mater. Chem. 2012, 22 (5), 1845. doi: 10.1039/c1jm14503g

    13. [13]

      (13) Sun, X. Z.; Zhang, X.; Zhang, D. C.; Ma, Y.W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (2), 367. [孙现众, 张熊, 张大成, 马衍伟. 物理化学学报, 2012, 28 (2), 367.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201112131(13) Sun, X. Z.; Zhang, X.; Zhang, D. C.; Ma, Y.W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (2), 367. [孙现众, 张熊, 张大成, 马衍伟. 物理化学学报, 2012, 28 (2), 367.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201112131

    14. [14]

      (14) Che, Q.; Zhang, F.; Zhang, X. G.; Lu, X. J.; Ding, B.; Zhu, J. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (4), 837. [车倩, 张方, 张校刚, 卢向军, 丁兵, 朱佳佳. 物理化学学报, 2012, 28 (4), 837.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201202074(14) Che, Q.; Zhang, F.; Zhang, X. G.; Lu, X. J.; Ding, B.; Zhu, J. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (4), 837. [车倩, 张方, 张校刚, 卢向军, 丁兵, 朱佳佳. 物理化学学报, 2012, 28 (4), 837.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201202074

    15. [15]

      (15) Niu, Z. Q.; Liu, L. L.; Zhang, L.; Shao, Q.; Zhou,W. Y.; Chen, X. D.; Xie, S. S. Adv. Mater. 2014, 26 (22), 3681. doi: 10.1002/adma.v26.22(15) Niu, Z. Q.; Liu, L. L.; Zhang, L.; Shao, Q.; Zhou,W. Y.; Chen, X. D.; Xie, S. S. Adv. Mater. 2014, 26 (22), 3681. doi: 10.1002/adma.v26.22

    16. [16]

      (16) Novoselo, V. K. S.; Geim, A. K.; Morozo, V. S. V. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896(16) Novoselo, V. K. S.; Geim, A. K.; Morozo, V. S. V. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    17. [17]

      (17) Kane, C. L. Nature 2005, 438 (7065), 168. doi: 10.1038/438168a(17) Kane, C. L. Nature 2005, 438 (7065), 168. doi: 10.1038/438168a

    18. [18]

      (18) Stoller, M. D.; Park, S. J.; Zhu, Y.; An, J.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2008, 8 (10), 3498. doi: 10.1021/nl802558y(18) Stoller, M. D.; Park, S. J.; Zhu, Y.; An, J.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2008, 8 (10), 3498. doi: 10.1021/nl802558y

    19. [19]

      (19) Vivekchand, S. R. C.; Rout, C. S.; Subrahmanyam, K. S.; vindaraj, A.; Rao, C. N. R. Chem. Sci. 2008, 120 (1), 9. doi: 10.1007/s12039-008-0002-7(19) Vivekchand, S. R. C.; Rout, C. S.; Subrahmanyam, K. S.; vindaraj, A.; Rao, C. N. R. Chem. Sci. 2008, 120 (1), 9. doi: 10.1007/s12039-008-0002-7

    20. [20]

      (20) Wang, Y.; Shi, Z.; Huang, Y.; Ma, Y.;Wang, C.; Chen, M.; Chen, Y. J. Phys. Chem. C 2009, 113 (30), 13103. doi: 10.1021/jp902214f(20) Wang, Y.; Shi, Z.; Huang, Y.; Ma, Y.;Wang, C.; Chen, M.; Chen, Y. J. Phys. Chem. C 2009, 113 (30), 13103. doi: 10.1021/jp902214f

    21. [21]

      (21) Ye, J.; Zhang, H. Y.; Chen, Y. M.; Cheng, Z. D.; Hu, L.; Ran, Q. Y. J. Power Sources 2012, 212, 105. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.03.101(21) Ye, J.; Zhang, H. Y.; Chen, Y. M.; Cheng, Z. D.; Hu, L.; Ran, Q. Y. J. Power Sources 2012, 212, 105. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.03.101

    22. [22]

      (22) Lv,W.; Tang, D. M.; He, Y. B.; You, C. H.; Shi, Z. Q.; Chen, X. C. ACS Nano 2009, 3 (11), 3730. doi: 10.1021/nn900933u(22) Lv,W.; Tang, D. M.; He, Y. B.; You, C. H.; Shi, Z. Q.; Chen, X. C. ACS Nano 2009, 3 (11), 3730. doi: 10.1021/nn900933u

    23. [23]

      (23) Shen, B.; Lu, D.; Zhai,W.; Zheng,W. J. Phys. Chem. C 2013, 1 (1), 50.(23) Shen, B.; Lu, D.; Zhai,W.; Zheng,W. J. Phys. Chem. C 2013, 1 (1), 50.

    24. [24]

      (24) Xu, Y.; Lin, Z.; Huang, X.;Wang, Y.; Huang, Y.; Duan, X. Adv. Mater. 2013, 25 (40), 5779. doi: 10.1002/adma.v25.40(24) Xu, Y.; Lin, Z.; Huang, X.;Wang, Y.; Huang, Y.; Duan, X. Adv. Mater. 2013, 25 (40), 5779. doi: 10.1002/adma.v25.40

    25. [25]

      (25) Bi, H.; Yin, K.; Xie, X.; Zhou, Y.;Wan, N.; Xu, F.; Banhart, F.; Sun, L.; Ruoff, R. S. Adv. Mater. 2012, 24, 5124. doi: 10.1002/adma.201201519(25) Bi, H.; Yin, K.; Xie, X.; Zhou, Y.;Wan, N.; Xu, F.; Banhart, F.; Sun, L.; Ruoff, R. S. Adv. Mater. 2012, 24, 5124. doi: 10.1002/adma.201201519

    26. [26]

      (26) Xu, Y.; Shi, G. J. Mater. Chem. 2011, 21 (10), 3311.(26) Xu, Y.; Shi, G. J. Mater. Chem. 2011, 21 (10), 3311.

    27. [27]

      (27) Dreyer, D. R.; Park, S.; Bielawski, C.W.; Ruoff, R. S. Chem. Soc. Rev. 2010, 39 (1), 228. doi: 10.1039/b917103g(27) Dreyer, D. R.; Park, S.; Bielawski, C.W.; Ruoff, R. S. Chem. Soc. Rev. 2010, 39 (1), 228. doi: 10.1039/b917103g

    28. [28]

      (28) Thomsen, C.; Reich, S. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 5214. doi: 10.1103/PhysRevLett.85.5214(28) Thomsen, C.; Reich, S. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 5214. doi: 10.1103/PhysRevLett.85.5214

    29. [29]

      (29) Yang, Y. H.; Sun, H. J.; Peng, T. J.; Huang, Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27 (3), 736. [杨勇辉, 孙红娟, 彭同江, 黄桥. 物理化学学报, 2011, 27 (3), 736.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110320(29) Yang, Y. H.; Sun, H. J.; Peng, T. J.; Huang, Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27 (3), 736. [杨勇辉, 孙红娟, 彭同江, 黄桥. 物理化学学报, 2011, 27 (3), 736.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110320

    30. [30]

      (30) Du, Q.; Zheng, M.; Zhang, L.;Wang, Y.; Chen, J.; Xue, L.; Cao, J. Electrochim. Acta 2010, 55 (12), 3897. doi: 10.1016/j.electacta.2010.01.089(30) Du, Q.; Zheng, M.; Zhang, L.;Wang, Y.; Chen, J.; Xue, L.; Cao, J. Electrochim. Acta 2010, 55 (12), 3897. doi: 10.1016/j.electacta.2010.01.089

    31. [31]

      (31) Chen, S.; Zhu, J.;Wu, X.; Han, Q.;Wang, X. ACS Nano 2010, 4 (5), 2822. doi: 10.1021/nn901311t(31) Chen, S.; Zhu, J.;Wu, X.; Han, Q.;Wang, X. ACS Nano 2010, 4 (5), 2822. doi: 10.1021/nn901311t

    32. [32]

      (32) Mao, Lu.; Zhang, K.; Chan, H. S. O.;Wu, J. S. J. Mater. Chem. 2012, 22, 1845. doi: 10.1039/c1jm14503g(32) Mao, Lu.; Zhang, K.; Chan, H. S. O.;Wu, J. S. J. Mater. Chem. 2012, 22, 1845. doi: 10.1039/c1jm14503g

    33. [33]

      (33) Simon, P.; tsi, Y. Nat. Mater. 2008, 7 (11), 845.(33) Simon, P.; tsi, Y. Nat. Mater. 2008, 7 (11), 845.

    34. [34]

      (34) Wu, X. L.;Wang,W.; Guo, Y. G.;Wan, L. J.; Nanosci, J. Nano Technol. 2011, 11 (3), 1897.(34) Wu, X. L.;Wang,W.; Guo, Y. G.;Wan, L. J.; Nanosci, J. Nano Technol. 2011, 11 (3), 1897.

    35. [35]

      (35) Polat, E. O.; Kocabas, C. Nano Lett. 2013, 13 (12), 5851. doi: 10.1021/nl402616t

      (35) Polat, E. O.; Kocabas, C. Nano Lett. 2013, 13 (12), 5851. doi: 10.1021/nl402616t

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  846
  • 文章访问数:  1648
  • HTML全文浏览量:  157
文章相关
  • 发布日期:  2014-10-30
  • 收稿日期:  2014-07-28
  • 网络出版日期:  2014-09-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章