【摘 要】
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超级电容作为一种新型的能量储存元件凭借其功率密度高、充放电快和循环稳定性强的优点吸引了国内外的广泛关注。其中,电极材料是影响储能性能的关键因素,垂直石墨烯凭借独特的取向性结构、巨大的比表面积以及极佳的导电性被认为是理想的电极材料。目前,垂直石墨烯主要通过等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)制备得到。传统的PECVD方法一般在高温下采用甲烷、乙炔等化石能源作为碳源,并通入氢气等辅助气体作为刻蚀
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超级电容作为一种新型的能量储存元件凭借其功率密度高、充放电快和循环稳定性强的优点吸引了国内外的广泛关注。其中,电极材料是影响储能性能的关键因素,垂直石墨烯凭借独特的取向性结构、巨大的比表面积以及极佳的导电性被认为是理想的电极材料。目前,垂直石墨烯主要通过等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)制备得到。传统的PECVD方法一般在高温下采用甲烷、乙炔等化石能源作为碳源,并通入氢气等辅助气体作为刻蚀剂对生长初期基底上形成的不定型碳进行刻蚀。然而,这些烃类和氢气前驱体的使用会导致化石燃料的快速消耗和相当高的经济成本,在恶劣环境(如500~800℃)下易爆性可能带来严重后果安全问题。本文采用废弃油为前驱体,使用氩气电感耦合等离子体(ICP)实现了垂直石墨烯一步式高效、低成本制备。该系统中,氩气可以提高电子的能量以及等离子体的电离率。废弃油中的长链有机物在高能等离子体作用下断裂并形成垂直石墨烯生长所需的活性基团。单次生长可得到大面积的垂直石墨烯(12×3.5 cm2)。实验表明,以废弃油为前驱体生长的垂直石墨烯表现出了比传统方法制备的垂直石墨烯更好的垂直取向性、更高的生长速率以及更丰富的边缘结构。电化学测试中,基于废弃油的垂直石墨烯表现出了较高的比电容、极佳的导电性、频率响应性能和循环特性。700℃生长的样品比电容为4.1 m F cm-2(10 m V s-1),约为传统垂直石墨烯的2倍,并拥有更好的倍率性能和高效的交流滤波能力(120 Hz时的RC时间常数为163μs)。经济分析表明,以该方法制备垂直石墨烯的总成本可降低32%左右。此外,由于丰富的边缘结构,垂直石墨烯可作为金属氧化物的高导电性骨架,通过化学沉积法制备的Mn O2/VGs复合材料具有优异的储能性能,功率密度为1.14 kw kg-1时的能量密度为33.5 wh kg-1,能量密度为21.4 wh kg-1时的功率密度为11.4 kw kg-1。本工作为低成本、安全环保制备高质量垂直石墨烯提供了思路。
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