摘要
制造并测试了基于活性炭作为主材料电极的超级电容器。MWCNT作为添加剂添加到主体材料中以形成纳米复合材料并且确认MWCNT浓度对改善的影响，研究超级电容器的性能。使用1M TEABF4-PC溶液作为有机电解质。纳米复合材料在改善超级电容的比功率和能量密度方面不同地起作用，测试方法采用阻抗光谱、进行循环伏安法和恒电流充电- 放电测量来表征电容器。
介绍
电化学双层电容器（EDLC）的超级电容器是具有功率密度和能量密度是介于传统电容器和电池之间。随着对具有高功率的能量存储装置的需求长的耐久性增加的提高，超级电容器变得越来越重要。EDLC超级电容器与传统的电容器的区别，是其电极由多孔导体如活性炭组成，其具有巨大的表面积，并且其通过静电力累积并保持电荷/电解质界面的薄层上的电荷或非法拉效应，使得其具有巨大的电容（> 100F / g），并且具有更高的功率和更长的再循环寿命（> 100000个周期）比可充电电池。然而，到目前为止EDLC超级电容器的能量密度不是那么高。
碳质材料如碳气凝胶、粉末和碳纤维是最常用的材料作为超级电容器中的电极，因为碳可具有高表面积，化学和热稳定，成本相对低和环保。提高EDLC性能的方法包括创造新的碳纳米复合材料电极，目的是为了增加电极的导电性和表面积。
在本报告中，探索了一系列用于EDLC的碳基对称电极，使用商用的活性炭粉末作为基本活性材料，碳纳米管作为导电填料。还探讨了在混合溶剂中基于LiPF 6或Et 4 NBF 4的有机电解质的性能，其具有大于3V的电化学窗口。使用VersaSTAT MC分析仪在测试其阻抗谱，循环伏安法和恒电流充电- 放电测试。
实验步骤
1.碳电极
使用表面积为1000m 2 / g的活性炭粉末（AC）作为主体电极材料。在一系列研究中分别以0.15重量％，1重量％和7重量％的重量百分比添加多壁碳纳米管粉末（MWCNT）而没有改性。以5重量％的总固体组分添加PVDF（聚（偏二氟乙烯））作为粘合剂。碳质膜的面密度为4?5mg / cm 2。
2.制作电容器
图1
图1提供了在本研究中制造的超级电容器电池类型的图。电解质为1M Et 4 NBF 4（四氟硼酸四乙铵或TEABF 4）在PC（碳酸亚丙酯）中。盐和溶剂都来自Sigma-Aldrich，Et4NBF4纯度为99％，PC为无水，99.7％纯度。
为了组装电容器电池，切出两个碳质材料涂覆的Al的矩形条并与碳侧面对面组合，将隔膜用电解质溶液浸泡并夹在其间。因此，形成对称电极EDLC单元，其中电极重叠区域被定义为工作区域，其在所有器件中固定为2cm 2。
3结果和讨论
3.1阻抗光谱分析
图2.（a）具有AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT电极的电容器在0.2V的直流电压下，在频率范围上20mV的正弦信号的奈奎斯特图从1000kHz到0.01Hz。Zre：实际阻抗。Zim：虚阻抗。插图显示了高频区域中的放大比例图。
在具有正弦波的0.2V的DC偏压下进行电化学阻抗光谱（EIS）测量信号在1MHz至10mHz的频率范围内为20mV。图2显示了四个相应的Nyquist图器件具有AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT碳质电极。在高频到中频区域，只有少量的电荷复合物可以克服活化能与其迁移交替电位。Zim-Zre半圆是由接近亥姆霍兹平面的移动电荷复合体发展而来的
由界面接触电容（Cc）和电荷转移电阻（Rc）[10]表示。半圆有2实轴上的交点，半圆左端的Zre值表示等效串联电阻（ESR），这是碳铝接触电阻，体溶液电阻的组合电解质和电极材料本身的电阻：ESR值对于除了的所有电极是相似的AC + 7％CNT电极，其具有非常低的ESR。半圆的直径表示电荷转移电阻Rc：对于AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT电极，它们分别是7.1W，2.8W，1.4W和1.2W。这表明导电MWCNT可以降低电荷转移电阻。在半圆的右侧，a?45o观察到Warbury区域，这是离子扩散到电极的主体中的结果，其全部具有孔尺寸分布[11]。在较低的频率范围，曲线几乎是垂直的，表明器件的电容性质。
3.2循环伏安法分析
图3.使用1M TEABF4-PC电解质的EDLC电池在两种极端扫描速率下的AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT电极的循环伏安图：（a）0.01V / s，）0.5V / s
在从0.01V / s至0.5V / s的扫描速率范围内，在0和3V之间进行三个器件的循环伏安（CV）响应，结果示于图3中。对于每个电池，存在两个在两个极端扫描速率下的典型CV曲线，根据以下等式可以从中导出归一化比电容C：
其中i是电流，v是扫描速率，m是一个电极（不包括集电器）的质量。这些曲线是规则的并且与0水平轴对称，在0-3V扫描区域中具有?0.05的法拉第分数[12]，表明电池的非氧化还原或非感应性质。
在低扫描速率下，所有AC + CNT电极的电容低于仅AC电极，CNT百分比越高，电容越低。这可以通过以下事实来证明：在低充电/放电速率下，所有表面都是AC，在这种情况下，确认AC 碳质材料的高能量存储容量。另一方面，在高扫描速率下，AC + CNT的电容高于AC电极，并且CV形状更像矩形，表明AC + CNT电极中的快速充电- 放电过程。在快速充电- 放电的情况下，只有AC + CNT电极是有效的，其中CNT的存在带来这种充电效率。可以得出结论，MWCNT 形成了连续的导电网络，其可能使间隙和一些孔中的电路短路，使得电荷不能扩散到深的间隙和孔中，因为MWCNT更具导电性并且未改性的CNT更低表面积比AC。结果，总电容减小。
3.3恒流充放电分析
为了检验0，并在不同的电流密度3V之间的设备率性能和功率和能量密度的关系，恒电流充电- 放电循环进行，它是示于图4的两个典型plotsof恒流充放电被两个呈现极限电流密度。在低的2mA的电流密度下，四个电极的性能为AC> AC + 0.15％CNT> AC + 1％CNT> AC + 7％CNT 的性能，这是一致的其在低扫描速率下的CV行为。在50mA的高电流密度下，含CNT的AC 电极的性能优于单独的AC的性能。充放电转折点处的IR下降表示能量损失到内部直流电阻; 数据显示，IR滴根据以下序列随CNT含量而变化：AC 超级电容器的两个关键因素，即其功率密度和能量密度，根据不同电流密度的恒电流循环的放电曲线根据： 其中I是电流密度，m是一个电极（不包括集电器）的质量，Dtd是放电期间经过的时间。由此可以得出结论，添加0.15％和1％的导电CNT可以改善电容器性能，特别是在高功率区域中，但是在7％CNT含量下，能量密度大大降低。 图4.在两个极端恒定电流密度下使用1M TEABF 4 -PC电解质的具有AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT电极的EDLC电池的恒电流充电- 放电曲线：（a），（b）50mA。 4.结论 EDLC电池的电化学分析显示活性炭是超级电容器电极的合适材料，而少量的导电MWCNT可以通过降低电极/电解质界面中的电荷转移电阻来改善其性能。在较高的CNT含量下，比能量密度降低，因为未改性的CNT的表面积比AC低。MWCNT可以在块状碳电极中形成高度导电的网络，并且因此防止电荷扩散到碳电极的深体积中。 摘要 制造并测试了基于活性炭作为主材料电极的超级电容器。MWCNT作为添加剂添加到主体材料中以形成纳米复合材料并且确认MWCNT浓度对改善的影响，研究超级电容器的性能。使用1M TEABF4-PC溶液作为有机电解质。纳米复合材料在改善超级电容的比功率和能量密度方面不同地起作用，测试方法采用阻抗光谱、进行循环伏安法和恒电流充电- 放电测量来表征电容器。 介绍 电化学双层电容器（EDLC）的超级电容器是具有功率密度和能量密度是介于传统电容器和电池之间。随着对具有高功率的能量存储装置的需求长的耐久性增加的提高，超级电容器变得越来越重要。EDLC超级电容器与传统的电容器的区别，是其电极由多孔导体如活性炭组成，其具有巨大的表面积，并且其通过静电力累积并保持电荷/电解质界面的薄层上的电荷或非法拉效应，使得其具有巨大的电容（> 100F / g），并且具有更高的功率和更长的再循环寿命（> 100000个周期）比可充电电池。然而，到目前为止EDLC超级电容器的能量密度不是那么高。 碳质材料如碳气凝胶、粉末和碳纤维是最常用的材料作为超级电容器中的电极，因为碳可具有高表面积，化学和热稳定，成本相对低和环保。提高EDLC性能的方法包括创造新的碳纳米复合材料电极，目的是为了增加电极的导电性和表面积。 在本报告中，探索了一系列用于EDLC的碳基对称电极，使用商用的活性炭粉末作为基本活性材料，碳纳米管作为导电填料。还探讨了在混合溶剂中基于LiPF 6或Et 4 NBF 4的有机电解质的性能，其具有大于3V的电化学窗口。使用VersaSTAT MC分析仪在测试其阻抗谱，循环伏安法和恒电流充电- 放电测试。 实验步骤 1.碳电极 使用表面积为1000m 2 / g的活性炭粉末（AC）作为主体电极材料。在一系列研究中分别以0.15重量％，1重量％和7重量％的重量百分比添加多壁碳纳米管粉末（MWCNT）而没有改性。以5重量％的总固体组分添加PVDF（聚（偏二氟乙烯））作为粘合剂。碳质膜的面密度为4?5mg / cm 2。 2.制作电容器 图1 图1提供了在本研究中制造的超级电容器电池类型的图。电解质为1M Et 4 NBF 4（四氟硼酸四乙铵或TEABF 4）在PC（碳酸亚丙酯）中。盐和溶剂都来自Sigma-Aldrich，Et4NBF4纯度为99％，PC为无水，99.7％纯度。 为了组装电容器电池，切出两个碳质材料涂覆的Al的矩形条并与碳侧面对面组合，将隔膜用电解质溶液浸泡并夹在其间。因此，形成对称电极EDLC单元，其中电极重叠区域被定义为工作区域，其在所有器件中固定为2cm 2。 近十年超级电容器领域的重大突破 中国储能网讯：与传统电容器相比，超级电容器具有更大的比电容、更高的能量密度、更长的使用寿命等特点，而与锂离子电池相比，超级电容器又具有更高的功率密度、更长的使用寿命及绿色环保等优点。超级电容器在未来储能器件领域占有绝对的优势，在军事、混合动力汽车、智能仪表等诸多领域具有广泛的应用前景。 随着社会的快速发展和人口的急剧增长，资源消耗日益增加，能源危机迫在眉睫，因此，寻找清洁高效的新能源与能源存储技术及装置已成为备受关注的研究课题。与传统电容器相比，超级电容器具有更大的比电容、更高的能量密度、更长的使用寿命等特点，而与锂离子电池相比，超级电容器又具有更高的功率密度、更长的使用寿命及绿色环保等优点。超级电容器在未来储能器件领域占有绝对的优势，在军事、混合动力汽车、智能仪表等诸多领域具有广泛的应用前景。 超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能 器件，通过在电极材料和电解质界面快速的离子吸脱附或完全可逆的法拉第氧化还原反应来存储能量，根据储能与转化机制的不同可将超级电容器分为双电层电容器(Electric double layer capacitors，EDLC)和法拉第准电容器(又叫赝电容器，Pseudocapacitors)。双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的，1879年，Helmholz发现了电化学界面的双电层电容性质;1957年，Becker申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的电化学电容器方面的专利(提出可以将小型电化学电容器用做储能器件);1962年，标准石油公司(SOHIO)生产了一种6V的以活性碳(AC)作为电极材料、以硫酸水溶液作为电解质的超级电容器，1969年，该公司首先实现了碳材料电化学电容器的商业化;1979年，NEC公司开始生产超级电容(Super CaPACitor)，开始了电化学电容器的大规模商业应用。随着材料与工艺关键技术的不断突破，产品质量和性能不断得到稳定和提升，到了九十年代末开始进入大容量高功率型超级电容器的全面产业化发展时期。超级电容器作为电化学能源存储领域的前沿研究方向之一，近十年内有多个突破性工作，其发展也向着小型化、柔性化、平面化等方向发展。 石墨烯在实验室中是2004年被发现的，当时英国曼彻斯特 超级电容器电极材料——碳纳米管碳纳米管(Carbon Nano Tubes,CNTs)是1991年NEC公司的电镜专家Iijima通过高分辨率电子显微镜观察电弧法设备中产生的球状分子时发现的一种管状新型纳米碳材料,如下图所示：理想CNTs是由碳原子形成的石墨烯卷成的无缝?中空的管体,根据管中碳原子层数的不同,CNTs可分为单壁碳纳米管 (Single-walled Nano Tubes SWNTs)和多壁碳纳米管 (Multi-walled Nano Tubes,MWNTs)?CNTs的管径一般为几纳米到几十纳米,长度一般为微米量级,由于CNTs具有较大的长径比,因此可以将其看做准一维的量子线?CNTs因其独特的力学?电子学和化学特性而迅速成为世界范围内的研究热点之一,并在复合增强材料?场发射?分子电子器件和催化剂等众多领域得到了广泛的应用? Niu等首先报道使用催化裂解法生长的直径为8nm的CNTs制备了厚度为25.4μm?比表面积为430m2/g的薄膜电极,在38%的H2SO4水溶液中,获得了49～113F/g的质量比容,而且在频率为 11Hz时,其相角非常接近-90°,并且具有大于8kW/g的高功率? E.Frakcowaik等以钴盐为催化剂,二氧化硅为模板催化裂解乙炔制得比表面积为400m2/g的MWNTs,其比容量达135F/g,而且在高达50Hz的工作频率下,其比容量下降也不大?这说明CNTs的比表面 积利用率?功率特性和频率特性都远优于活性炭?碳纳米管的比容与其结构有直接关系? 江奇娜等研究了MWNTs的结构与其容量之间的关系,结果发现比表面积较大?孔容较大和孔径尽量多的分布在30～40nm区域的CNTs会具有更好的电化学容量性能?从CNTs的外表来看,管径为30～40nm?管长越短?石墨化程度越低的CNTs的容量越大?另外,由于SWNTs通常成束存在,管腔开口率低,形成双电层的有效表面积低,所以MWNTs更适合用做双电层电容器的电极材料?由于CNTs的绝大部分孔径都在2nm以上,而2nm以上的孔非常有利于双电层的形成,所以CNTs电容器具有非常高的比表面积利用率,但由于CNTs的比表面积都很低,一般为100～400m2/g,所以CNTs的比容都较低? 提高CNTs比容的最直接办法是提高其比表面积,采用高速球磨将CNTs打断能在一定程度上提高CNTs的比表面积,进而提高其比容?另外,通过化学氧化或电化学氧化的方法在CNTs表面产生电活性官能团,利用这些表面官能团在充放电过程中产生的赝电容也可以有效提高CNTs的比容?CNTs与金属氧化物或导电聚合物相复合,可以制备同时具有双电层电容和法拉第赝电容的复合型电容器,这种电容器同时具有较高的能量密度和功率密度?马仁志等制备的CNTs-RuO2·xH2O 复合材料的比容高达600F/g,而且基于该复合材料的电化学电容器具有良好的功率特性? 石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 超级电容器的研究进展 超级电容器的研究进展 摘要：超级电容器是一种新型储能装置，它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。近年来，各种新兴材料 的发展，为超级电容器电极材料的选取提供了更多的选择条件，促进了超级电 容器的快速发展。本文总结了超级电容器的特点，重点介绍了超级电容器的工 作原理、分类以及超级电容器的材料。并简要展望了超级电容器电极材料的发 展方向和前景。 关键词：超级电容器碳电极贵金属氧化物导电聚合物 Abstract: Super capacitor is a new type of energy storage device. It has the characteristics of high power density, short charging time, long service life, good temperature characteristics, energy saving and green environmental protection. In recent years, the development of a variety of new materials, for the selection of the super capacitor electrode materials to provide more options to promote the rapid development of the super capacitor. This paper summarizes the characteristics of the super capacitor, and introduces the working principle of the super capacitor, classification and the material of the super capacitor. And briefly discussed the developing direction of super capacitor electrode materials and prospect. Key words: Super capacitor Carbon electrode Precious metal oxide Conducting polymer 一、引言 超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹（1821～1894）提出的界面双 电层理论基础上的一种全新的电容器，又叫电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电 功能材料课程报告 指导老师： 学院：材料科学与工程学院专业：材料加工工程 姓名： 学号： 日期: 2012 年7 月13 日 超级电容器电极材料研究现状及存在问题 摘要:电极材料是决定电容器性能的重要因素，高性能电极材料的开发是超级电容器研发的重点。本文主要讨论了超级电容器阳极材料的研究现状及存在问题，这些材料包括：碳材料、贵金属氧化物、导电聚合物和一些其他材料。复合或混合型电极材料可以显著提高超级电容器的综合性能，已经成为超级电容器电极材料发展的主要趋势。 关键词:超级电容器；电极材料；研究现状；存在问题 1电极材料的研究现状 1.1正极材料 目前用作超级电容器电极的材料主要有三类:碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。 1.1.1碳材料碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。碳电极电容器主要是利用储存在电极与电解液界面的双电层能量，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。尽管高比表面的碳材料比表面积越大，容量也越大，但实际利用率并不高，因为多孔碳材料中孔径一般要2nm及以上的空间才能形成双电层，从而进行有效的能量储存。而制备的碳材料往往存在微孔(小于2nm)不足的情况。所以这个系列主要是向着提高有效比表面积和可控微孔孔径(大于2nm)的方向发展。除此之外，碳材料的表面官能团、导电率、表观密度等对电容器性能也有影响[1]。 碳电极电容器其电容的大小和电极的极化电位及电极比表面积大小有关，故可以通过极化电位的升高和增大电极比表面积达到提高电容大小的目的。电极/电解质双电层上可贮存的电量其典型值约为15~40μF·cm-2。选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电容。对理想可极化体系而言，可通过无限提高充电电压而大量储存能量。但是，对于实际体系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制，可通过加大电极比表面积来增加电容值。电容C可由下式给出 C=ε·ε0Ad 式中:ε ε为电导体和内部赫姆霍兹面间区域的相对0为自由空间的绝对介电常数， 介电常数，A为电极表面积，d为导体与内赫姆霍兹面之间的距离。 近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布，并开发出许多不同类型的碳材料，主要有: 多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维、碳气溶胶以及最近才开发的碳纳米管等[2]。 多孔碳材料、活性碳材料和活性碳纤维：这个排列基本代表了碳材料为提高有效比表面积的发展方向。之所以发展为活性碳，主要是在于通过活化处理(如水蒸汽)后，可以增加微孔的数量，增大比表面积，提高活性碳的利用率。这些材料随制作电极工艺的不同先后出现过:活性碳粉与电解液混合制成的糊状电 几种碳纳米材料的制备及其应用研究 碳基纳米材料是指分散相至少有一维小于100 nm的碳材料。分散相可以由碳原子组成,也可以由其它原子(非碳原子)组成。 到目前为止,发现的碳基纳米材料有富勒烯、碳纳米管、石墨烯、荧光碳点及其复合材料。碳基纳米材料在硬度、耐热性、光学特性、耐辐射特性、电绝缘性、导电性、耐化学药品特性、表面与界面特性等方面都比其它材料优异,可以说碳基纳米材料几乎包括了地球上所有物质所具有的特性,如最硬—最软,全吸光—全透光,绝缘体—半导体—良导体,绝热—良导热等,因此具有广泛的用途。 发展制备这些材料的新方法、新技术,研究这些材料不同的纳米结构对性质的影响,不仅有重要的理论价值,而且对能源和生命分析领域的快速发展也具有重要的实际意义。在本论文工作中,以碳基纳米材料为主体,以微波水热、溶剂热等液相合成策略为手段,从探索纳米材料的结构、表面性质与其性能的关系出发,构建功能化碳基纳米材料,以满足在能源和生命分析应用中的要求。 本论文研究工作主要包括以下几方面的内容:1.微波辅助原位合成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物及其在超级电容器中的应用本工作中我们报道了一个新颖的微波辅助原位合成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物的新方法。首先,石墨烯氧化物(GO)和3,4-乙烯二氧噻吩单体(EDOT)通过两者间的吸附作用形成GO/EDOT复合物。 然后,在微波加热条件下,GO表面吸附的EDOT单体被GO氧化聚合为聚3,4-乙烯二氧噻吩,同时GO转化为石墨烯,进而形成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩(G/PEDOT)复合物。产物中不含过量的EDOT或GO,从而保证了复合物的纯度。 本研究还对该复合物的结构进行了表征,利用循环伏安和恒电流充放电技术 超级电容器电极材料——碳纳米管 超级电容器电极材料——碳纳米管 碳纳米管(Carbon Nano Tubes,Ts)是1991年 NEC公司的电镜专家 Iijima通过高分辨率电子显微镜观察电弧法设备中产生的球状分子时发现的一种管状新型纳米碳材料,如下图所示： 理想Ts是由碳原子形成的石墨烯卷成的无缝?中空的管体,根据管中碳原子层数的不同,Ts 可分为单壁碳纳米管 (Single-walled Nano Tubes SWNTs)和多壁碳纳米管 (Multi-walled Nano Tubes,MWNTs)?Ts的管径一般为几纳米到几十纳米,长度一般为微米量级,由于 Ts具有较大的长径比,因此可以将其看做准一维的量子线?Ts因其独特的力学?电子学和化学特性而迅速成为世界范围内的研究热点之一,并在复合增强材料?场发射?分子电子器件和催化剂等众多领域得到了广泛的应用? Niu等首先报道使用催化裂解法生长的直径为8nm的Ts制备了厚度为25.4μm?比表面积为430m2/g的薄膜电极,在38%的H2SO4水溶液中,获得了49～113F/g的质量比容,而且在频率为11Hz时,其相角非常接近-90°,并且具有大于 8kW/g的高功率? E.Frakcowaik等以钴盐为催化剂,二氧化硅为模板催化裂解乙炔制得比表面积为400m2/g 的MWNTs,其比容量达135F/g,而且在高达50Hz的工作频率下,其比容量下降也不大?这说明Ts的比表面 积利用率?功率特性和频率特性都远优于活性炭?碳纳米管的比容与其结构有直接关系? 江奇娜等研究了MWNTs的结构与其容量之间的关系,结果发现比表面积较大?孔容较大和孔径尽量多的分布在30～40nm区域的 Ts会具有更好的电化学容量性能?从Ts的外表来看,管径为30～40nm?管长越短?石墨化程度越低的Ts的容量越大?另外,由于SWNTs通常成束存在,管腔开口率低,形成双电层的有效表面积低,所以MWNTs更适合用做双电层电容器的电极材料?由于Ts的绝大部分孔径都在2nm以上,而2nm以上的孔非常有利于双电层的形成,所以Ts电容器具有非常高的比表面积利用率,但由于Ts的比表面积都很低,一般为100～400m2/g,所以Ts的比容都较低? 提高Ts比容的最直接办法是提高其比表面积,采用高速球磨将Ts打断能在一定程度上提高Ts的比表面积,进而提高其比容?另外,通过化学氧化或电化学氧化的方法在Ts表面产生电活性官能团,利用这些表面官能团在充放电过程中产生的赝电容也可以有效提高Ts的比容?Ts与金属氧化物或导电聚合物相复合,可以制备同时具有双电层电容和法拉第赝电 目录 摘要 .............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................ III 第一章绪论 .. (1) 1.1 课题研究背景、目的及意义 (1) 1.2 超级电容器原理 (2) 1.2.1 双电层电容器 (2) 1.2.2 赝电电容器 (3) 1.2.3 混合电容器 (4) 1.3 超级电容器结构 (4) 1.3.1 电极材料 (4) 1.3.1.1 碳材料 (5) 1.3.1.2 金属氧化物 (8) 1.3.1.3 导电聚合物 (8) 1.3.1.4 复合材料 (9) 1.3.2 电解液 (10) 1.3.2.1 水系电解液 (11) 1.3.2.2 有机电解液 (12) 1.3.2.3 离子液体 (15) 1.4 超级电容器应用 (15) 1.5 本论文的选题依据以及主要研究内容 (16) 第二章实验条件及主要测试方法 (19) 2.1 本文实验思路设计 (19) 2.2 主要实验药品 (20) VII 2.3 主要实验仪器 (21) 2.4 材料表征方法 (21) 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM） (21) 2.4.2 透射电子显微镜（TEM） (21) 2.4.3 比表面积测试仪（BET） (22) 2.4.4 元素分析仪（EA） (22) 2.4.5 Fe离子分析 (22) 2.5 超级电容器测试方法 (22) 2.5.1 循环伏安测试（Cyclic Voltammetry） (22) 2.5.2 恒电流充放电测试（Galvanostatic charge–discharge） (25) 2.5.3 交流阻抗测试（Electrochemical Impedance Spectroscopy） (25) 2.5.4 能量密度和功率密度计算 (25) 2.6本章小结 (26) 第三章超级电容器一致性制备及性能研究 (27) 3.1 超级电容器制备控制点及控制方法 (27) 3.2 超级电容器极片制备 (28) 3.3 超级电容器组装 (29) 3.4 一致性实验数据分析 (30) 3.4.1 商用超级电容器交流阻抗分析 (30) 3.4.2 超级电容器循环电流分析 (30) 3.4.3 一致性实验分析 (31) 3.4.3.1 第一次实验一致性分析 (31) 3.4.3.2 第二次实验一致性分析 (32) 3.4.3.3 第三次实验一致性分析 (33) VIII 收稿日期:2008203231 3基金项目:国家自然科学基金(50372013);高等学校博士学科点专项科研基金(20050562002);广东省自然科学基金(07001769) 作者简介:陈列春(1976— ),男,广西扶绥人,硕士研究生.第2卷 第3期 材 料 研 究 与 应 用 Vo1.2,No.32008年9月 MA TERIAL S RESEARCH AND APPL ICA TION Sept .2008 文章编号:167329981(2008)0320169204 碳纳米管超级电容器的研究进展3 陈列春,张海燕,贺春华,谢 慰 (广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006) 摘 要:综述了碳纳米管超级电容器的研究进展,并介绍了采用碳纳米管作为超级电容器电极材料的优缺点及制备高性能碳纳米管超级电容器的方法.关键词:碳纳米管;超级电容器;电极材料中图分类号:TB383 文献标识码:A 超级电容器(Supercapacitor )也叫电化学电容器[1],作为一种新型储能装置,它具有比容量高、比功率高及循环寿命长等优点,可作为无污染的小型后备电源用于多种电器设备中,同时它可与电池共同组成复合电源为电动车提供动力,近年来其研究受到广泛地关注并得到快速地发展[226].碳纳米管的管径一般为几纳米到几十纳米,长度在几微米至几十微米,其比表面积大、导电性好,是超级电容器的理想电极材料. 1 碳纳米管作为超级电容器的电极 材料 王晓峰等人[7]以NiO/(SiO 2,Al 2O 3)为催化剂,C 3H 6为碳源气体,采用催化裂解法制备了多壁碳 纳米管材料,以泡沫镍为基体制备成电极,将20对该电极与无纺布隔膜一次叠加后制成电容器的内芯,并放入有1mol/L LiClO 4PC 有机电解液的不锈钢内壳中,组装成碳纳米管超级电容器.实验结果表明,在20A 充放电流条件下,70s 内电压从2.5V 下降到0;该超级电容器的电容量为600F ,内阻为2.5m Ω,其比功率和比能量分别为1kW/kg 和0.8W ?h/kg ,即使在100A 的充放电流条件下,超级 电容器的电容量和比能量仍然达到570F 和0.76W ?h/kg. 何春建等人[8]将0.5mm 厚的铝片经除油、化学抛光后,在0.3mol/L 的草酸溶液中用恒电流法进行电化学氧化,再用HgCl 2去除未氧化的铝基底,在50℃条件下用10%的碳酸钠去除多空氧化铝的阻挡层,负载硝酸铁后放入管式炉中,通入体积比为1ζ4的H 2和Ar 还原保护气.以C 2H 2为碳源,先在500℃下保温6h ,再在700℃条件下保温15h ,然后降至室温,最后得到沉积在多孔氧化铝模板 中的有序碳纳米管阵列.将该阵列作为碳纳米管超 级电容器的电极,组装成碳纳米管超级电容器.电容器的电容量为687F/m 2,比一般双电层碳电极电容器的电容量0.2F/m 2大3435倍,说明用于超级电容器中的碳纳米管阵列电极具有非常优异的性能. K.J urewicz 等人[9]将KO H 和多壁碳纳米管按 质量比4ζ1的比例混合,在800℃的高温下对碳纳米管进行90min 的活化处理.结果显示,在7mol/L KO H 电解液中,未经活化的多壁碳纳米管超级电 容器的比容量为4F/g ,而活化后的碳纳米管超级电容器则达到49F/g.在氨水和空气体积比为1ζ3的条件下,将未活化和活化后的碳纳米管分别进行氨水氧化处理.实验结果表明,前者的比容量升高到40F/g ,后者的比容量升高到58F/g.这说明对碳纳 米管进行活化及氨水氧化处理后,碳纳米管上的官 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910178756.8 (22)申请日 2019.03.11 (71)申请人 辽宁石油化工大学 地址 113001 辽宁省抚顺市望花区丹东路 西段1号 (72)发明人 杨占旭 王崇泽 谭文 崔博洋 (74)专利代理机构 沈阳亚泰专利商标代理有限 公司 21107 代理人 郭元艺 (51)Int.Cl. B01J 27/24(2006.01) B01J 37/08(2006.01) B82Y 30/00(2011.01) B82Y 40/00(2011.01) C01B 3/04(2006.01) (54)发明名称 在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合 材料的制备方法 (57)摘要 本发明属于光催化领域，尤其涉及一种在限 域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制 备方法，按如下步骤实施：（1）将氰胺与蛭石混 合，程序升温至300～400℃，再缓慢冷却至室温， 得到氰胺插层蛭石前体：（2）将所述氰胺插层蛭 石前体与有机溶液搅拌反应，抽滤洗涤后烘干； 在空气中加热至500～650℃，再缓慢冷却至室 温；（3）将所得产物与强酸反应，抽滤洗涤滤饼后 烘干。本发明成本低，易于工业化生产，目的产物 分散性好且具有优良光催化性能。权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 109772419 A 2019.05.21 C N 109772419 A 权 利 要 求 书1/1页CN 109772419 A 1.一种在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，按如下步骤实施： （1）将氰胺与蛭石混合，程序升温至300～400℃，再缓慢冷却至室温，得到氰胺插层蛭石前体； （2）将步骤（1）所述氰胺插层蛭石前体与有机溶液搅拌反应，抽滤洗涤后烘干；在空气中加热至500～650℃，再缓慢冷却至室温； （3）将步骤（2）所得产物与强酸反应，抽滤洗涤滤饼后烘干。 2.根据权利要求1所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，氰胺与蛭石混合均匀后置于氧化铝坩埚中，在空气中以1～10℃/min加热至300～400℃，维持1～4h后，再缓慢冷却至室温。 3.根据权利要求2所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，将氰胺插层蛭石前体与1～40mL有机溶液在40～90℃下搅拌反应2～60h，抽滤洗涤后40～80℃烘干；在空气中加热至500～650℃，维持1～4h后，再缓慢冷却至室温。 4.根据权利要求3所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，将所得产物与强酸在40～90℃下搅拌反应2～60 h，抽滤并用去离子水洗涤滤饼后40～80℃烘干。 5.根据权利要求4所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述氰胺为单氰胺、二氢二氨或三聚氰胺中的一种或两种以上的混合物。 6.根据权利要求5所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述氰胺与蛭石的质量比为1:1～20。 7.根据权利要求6所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，有机溶液为醛溶剂。 8.根据权利要求7所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述醛溶剂为甲醛溶剂、乙醛溶剂或丁醛溶剂中的一种或两种以上的混合物。 9.根据权利要求8所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：在空气中加热升温速率为1～10 ℃/min。 10.根据权利要求9所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，强酸为盐酸、硫酸或氢氟酸中的一种或两种以上的混合物。 2 超级电容器是一种新型的储能装置，具备充放电快、效率高、稳定性好等优点，是一种清洁的绿色能源，是21 世纪的新型绿色能源。超级电容器有很大的市场潜力。通过对超级电容器电极材料进行研究，发现多孔碳材料作为超级电容器电极材料的电化学性能的影响。 目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。 目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。 1、活性炭材料 对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植 物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。是一种已经商品化的超级电容器电极材料。活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。 2、炭气凝胶电极材料 炭气凝胶是一种交联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大，孔隙率高，孔径分布广，是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。密度跨度大，孔隙率好，而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料，同时，在制备的时候，可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度。 3、碳纳米管 碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。从超级电容器对电极材料的要求上看，碳纳米管材料是非常适合用来做电极材料的，因为碳纳米管的结构是空管的形状，表面积大，尤其是壁很薄的碳纳米管，比表面积更大，非常有利于双电层电容的储备。碳纳米管要是制成电极时，还会具备特殊的孔，这些孔是由微观状态下，碳纳米管互相缠绕，好似网状结构，管与管之间就形成了孔洞的结构，孔与孔之间都是互相连通的，没有堵死的情况，这在用作电极的时候，对于电解液的流通的很重要的。而且这种由管径互相缠绕得到的孔不会太小，一般都是属中孔，这会使电极的内阻很低，这些都是超级电容器电极所需要具备的。目前对碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要集中在将它直接用于超级电容器上，或者将 五、结果与分析 1、实验过程总结与知识点查阅 ○1超级电容器的结构：[1] 超级电容器主要由三部分组成：电极、电解液和隔膜，其中电极由集流体和电极材料组成。本实验中，集流体为泡沫镍，集流体起到降低电极内阻的作用，活性物质为三维石墨烯-Co3O4复合材料。 ○2超级电容器的分类及原理 分为双电层电容器和赝电容器 双电层电容器：充电时，电解液中的带电粒子被吸附在电极表面，形成双电层结构，从而将能量储存起来。在双电层电容器工作的过程中，电解液中的粒子只发生电迁移、扩散、传质，完全是物理过程，不会和电极发生氧化还原反应。在充电时，接正极的电极集流体和活性物质带正电，活性物质吸附电解液中的负离子从而形成双电层结构。同样的，接负极的活性物质带负电，吸引电解液中的阳离子形成双电层结构。整个超级电容器相当于两个电容器串联。循环性能好，比电容较低。 赝电容器：由于电解液中粒子与电极材料发生高度可逆的氧化还原反应，形成不稳定的产物，将能量储存起来。在充电时，活性物质与电解液中的粒子在电极表面或者电极表面及内部发生高度可逆的化学吸附；在放电时则进行解吸附的过程。循环性能差，比电容高。 ○3超级电容器的电极材料[2]： （1）炭材料：活性炭、碳纳米管、石墨烯等。主要用于双电层电容器，比容量较低，而且能量密度与功率密度也较低。 ( 2 )过渡金属氧化物和导电聚合物，主要用于赝电容器，比容量与能量密度较高，导电性能和循环稳定性相对活性炭较差。 （3）改进材料：制备碳材料与金属氧化物或导电聚合物的复合材料，同时拥有比电容高和循环性能好的优点，如本实验中的三维石墨烯-Co3O4复合材料。 ○4循环伏安法测试及其原理 循环伏安法是指在工作电极和参比电极之间施加三角波扫描电压，记录工作电极上响应电流与施加电位之间的关系曲线，即循环伏安图。从伏安图的波形、氧化还原电流的数值及 目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。 目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。 1、活性炭材料 对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达 1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。是一种已经商品化的超级电容器电极材料。活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。 2、炭气凝胶电极材料 炭气凝胶是一种交联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大，孔隙率高，孔径分布广，是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。密度跨度大，孔隙率好，而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料，同时，在制备的时候，可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度。 3、碳纳米管 碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。从超级电容器对电极材料的要求上看，碳纳米管材料是非常适合用来做电极材料的，因为碳纳米管的结构是空管的形状，表面积大，尤其是壁很薄的碳纳米管，比表面积更大，非常有利于双电层电容的储备。碳纳米管要是制成电极时，还会具备特殊的孔，这些孔是由微观状态下，碳纳米管互相缠绕，好似网状结构，管与管之间就形成了孔洞的结构，孔与孔之间都是互相连通的，没有堵死的情况，这在用作电极的时候，对于电解液的流通的很重要的。而且这种由管径互相缠绕得到的孔不会太小，一般都是属中孔，这会使电极的内阻很低，这些都是超级电容器电极所需要具备的。目前对碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要集中在将它直接用于超级电容器上，或者将碳纳米管和别的材料复合用作超级电容器。 4、活性炭纤维 活性炭纤维是一种环保材料，具有比活性炭更加优越的吸附性能，由它得到的高表面积的活性炭纤维布已经成功用于商业化的电极 碳基纳米复合材料修饰电极的制备及其在药物分析中的应用药物分析是分析化学中的一个重要分支,随着药学的发展逐渐成为一门独立的学科。现代药物分析无论是分析领域,还是分析技术都己经大大拓展。 电化学分析作为分析技术的一种,在药物分析领域中有着日益广泛的应用。而各种微电极、修饰电极、电化学传感器的问世,由于其具有灵敏度高、响应快、选择性好、操作简单等优点,为电化学分析在药物分析中的应用注入了新的活力。 随着工作者对电化学分析的研究日益深入,电化学分析在科研、生产中的应用越来越广泛,并且在新药研发以及药品生产等方面扮演着重要的角色。本论文主要研究了新型碳基纳米材料复合修饰电极的制备,探索了不同药物在修饰电极上的电化学行为和电极反应机理,从而建立了一系列灵敏、简单、准确的药物定量分析方法。 主要内容归纳如下:1、通过电化学方法将金属氧化物四氧化三钴 （Co3O4）/石墨烯（GR）纳米材料电沉积在玻碳电极表面上,制备了一种新型的纳米复合电极（Co3O4/GR/GCE）,成功地被用于测定异烟肼。通过扫描电镜对此修饰电极的表面形貌进行了表征,Co3O4纳米粒子和GR能够很好地修饰在玻碳电极表面。 采用差分脉冲法（DPV）优化了异烟肼的测定条件,在最佳条件下,线性关系范围为0.5160μM,最低检出限为0.17μM（S/N=3）,实际药物和血清中的回收率良好,相对标准偏差均小于5%。该方法方便可行,结果满意,重复性好,实用性强。 实验表明,相比于裸电极,此修饰电极获得了更好的电化学性能,可显著提高 超级电容器电极材料 超级电容器，作为当下储能研究的一大热点，普遍具有以下优势： 1、快速的充放电特性 2、很高的功率密度 3、优良的循环特性 然而，它的不足完全制约了它的实际应用——能量密度很低。目前，商用的超级电容器可以提供10WhKg-1，而相比之下，锂离子电池的能力密度高达18010WhKg-1。因此，如何能提高超级电容器的能量密度，称为眼下超级电容器研究领域亟待解决的首要问题。学术圈致力于通过开发新的电极材料、电解质、独创的器件设计方案等方法，来实现这一问题的突破。 想要通过更好的电极材料（同时需要价格低廉，环境友好）来实现在超级电容器性能上的重大的进展，需要对电荷储存机理，离子电子的传输路径，电化学活性位点有全面、深远的认识。由此，纳米材料因为其可控的离子扩散距离、电化学活性位点数量的扩大等特点成为研究热门。 根据储能机理的不同，超级电容器可以分为：双电层电容器EDLC，赝电容。EDLC通过物理方法储存电荷——在电解质、电极材料界面上发生可逆的离子吸附。而赝电容通过化学方法储存电荷——在电极表面（几纳米深）发生氧化还原反应。通常，EDLC的电极材料为碳材料，包括活性炭，碳纳米管，石墨烯等。然而赝电容的电极材料包括：金属氧化物（RuO2, MnO2, CoOx, NiO,Fe2O3），导电高分子（PPy， PANI,Pedot）。 设计一款高性能的超级电容的标准是： 1、很高的比容量 （单位质量的比容量，单位体积的比容量，或者是活性物质的面积） 2、很高的倍率性能 在高的扫速下200mV/s或电流密度下，容量的保持率。 3、很长的循环寿命 另外，活性材料的价格与毒性也需要计入考量。 为了制备高容量的电极材料，上述因素需要进一步讨论。 1、表面积：因为电荷是储存在电容器电极的表面，具有更高表面积的电极可以提高比容量。纳米结构的电极可以很好的提高电极的表面积。 2、电子和离子的导电性：因为比容量、倍率性能是由电子、离子的导电性共同决定，高的离子、电子电导将会很好的维持CV曲线中的矩形图线，以及GCD中充放电曲线的对称性。 同时，这也将减少充电电流增大后的比容量损失。 典型的增加电子电导的方法有： （1）Binder-free electrode design 不实用粘结剂 （2）纳米结构集流体设计——这可以为电子传输的提供高效途径 增加离子电导的方法： 石墨烯聚合物纳米复合材料的前沿与趋势 聚合物与其他塑料结合形成混纺纤维，与滑石粉及云母混合形成填充系统，和与其他非均质加固物进行模型挤压生产复合材料和杂化材料。这种简单的“混合搭配”方法使得塑料工程师们能够利用聚合物团生产一系列能够控制极端条件的有用的材料。在这种方法中最后加入的事石墨烯------人们早就了解到它的存在但是知道2004年才被制备与鉴定出的碳单原子层。英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov因为分离出碳单原子层而被授予诺贝尔物理学奖。他们的成就导致了聚合物纳米材料的蓝图发生了变化。人们已经长期熟知碳基材料，像金刚石，六方碳和石墨烯。但是聚合物纳米材料研究团体重新燃起的热情主要由于石墨烯可与塑料结合的特性以及它来自于廉价的先驱体。石墨烯的性价比优势在纳米复合材料、镀膜加工、传感器和存储装置的应用上正挑战着碳纳米管。接着，这些只能被想象出来的应用将会出现。事实上，Andre Geim说过“石墨烯对于它的名字来说就是一种拥有最佳性能的非凡的物质。”这能够在目前大量发表的文献中可以看出。石墨烯为什么能够这样引起人们的兴趣呢？本篇综述尝试去处理在石墨烯纳米复合材料新兴潮流中所产生的这类问题。这个工作的范围被石墨烯聚合物纳米复合材料（GPNC）研究员提出期望的发展潜力进行了拓展。 神奇的石墨烯 石墨烯被频繁引用的性能是它的电子传输能力。这意味着一个电子可以在其中不被散射或无障碍地通行。石墨烯的电子迁移率可达到20000cm2/Vs，比硅晶体管高一个数量级。一片最近的综述表明，以改良样品制备的石墨烯，电子迁移率甚至可以超过25000cm2/Vs。石墨烯是否缺少禁带以及大量合成纯石墨烯是否可行只有将来的研究可以解释。目前，非凡的电子传导性能使得石墨烯居于各类物质之首。所以，利用石墨烯代替硅作为基质的可能性将指日可待。虽然石墨烯的电子传导能力要比铜高得多，但是其密度只有铜的1/5。文献中大量记载了石墨烯的电子传导性能极其影响方面的细节。 由于它固有的特性人们开始对它在纳米复合材料的应用产生了兴趣。据预测，一个单层无缺陷的石墨烯薄膜的抗拉强度要比其他任何物质都要大。事实上，James Hone’s小组已经用原子力显微镜研究了独立的单层石墨烯薄膜的断裂强度。他们测得的平均断裂力为1700nN。他们还发现石墨烯这种物质可以抵挡超高的应力（约25%）。这些测量值使得这个团队计算出无缺陷石墨烯薄片的内在强度为45Nm-1。这儿的内在强度被规定为无缺陷的纯物质在断裂之前所能承受的最大应力。石墨烯如此卓越的是由于它相当于1.0Tpa的杨氏模量。在其他的特性中Paul McEuen和同事们只有一个原子厚度的石墨烯薄膜即可隔绝气体，包括氦气。即石墨烯在实际应用中可作为密闭的微室。石墨烯所表现出的热传导性能要比铜高出很多倍。这就意味着石墨烯能够很容易地进行散热。最近对大块石墨烯薄膜的研究表明其热传导系数是600W/(m.K)。石墨烯另外的一个特性是其具有高的比表面积，计算值为2630m2g-1，而碳纳米管仅为1315m2g-1，这使得石墨烯在储能装置应用上成为一个候选材料。Rod Ruoff’s小组通过改性的石墨烯演示了其具有的超高电容性能。对石墨烯的新奇属性的详细描述随处可见石墨烯与碳纳米管相比有一个截然相反的属性是其不含杂质（不含金属），这对构建可靠的传感器和储能装置来说是一个重要的优势。，更进一步，由于它形状与结构，石墨烯或许有更低的毒性，这也成为目前研究的主题。 独立的纳米材料的这些性质使得物理学家，化学家，和材料学家，不论作为理论学家还是实验学家，都为石墨烯的潜力而感到振奋。然而，最重要的问题是去区分炒作还是现实。碳基纳米复合材料EDLC超级电容器
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