1. 研究目的与意义
| 随着社会的发展，时代的进步，特别是近年来气候的变化和化石能源的日益枯竭，对当今社会的经济造成极大影响。随着生态环境的日益恶化，人们迫切研发新的清洁能源和高效的储能装置[1-3]。超级电容器作为一种新型的储能器件，其具有能量密度大,充放电快和循环使用寿命长等优点[1-5]。目前，用于超级电容器的材料主要有碳基材料、过渡金属氢氧化物和导电聚合物。随着超级电容器的飞速发展，目前具有质轻、尺寸小、可穿戴的柔性超级电容器受到人们广泛的关注。与此同时，随着便携式、可穿戴等新颖概念的提出及其电子设备（如电子纸、柔性显示器、柔性生物传感和可植入式多媒体设备、以及柔性电池）的出现，柔性电子技术将会在很大程度上改变人们的生活方式。随着手机、可穿戴设备等消费类电子产品逐渐向柔性化方向发展，市场对于柔性电池的需求逐渐增加。柔性电池相比传统刚性电池，理论上具有安全性高、快充性能好、能量密度大以及成本较低等特点，此外，柔性电池还可以使电子产品向更加美观、更加符合人体结构的方向发展，因此有着广阔的市场需求[7]。关于研究如何得到柔性、轻质、高机械强度和高效的储能设备的研究也越来越多。在可穿戴设备方面，柔性电池需求极为广泛。由于此类产品要适应人类身体的构造，能够良好的贴合人类的肢体，因此需要电池也能够根据设计的需求不断变换形状，让可穿戴设备变得更舒适。此时柔性电池显示出巨大优势，在智能手表(手环)、智能服装、智能运动鞋等方面，都有巨大的发挥空间。 石墨烯自2004年被发现以来因为其独特的理化性质以及潜在的应用前景，引起各领域广大研究者的关注。石墨烯纤维是目前石墨烯研究领域的热点之一[7- 9]。在日常生活中，纤维是一种最常见的，具有轻质，可折叠弯曲及可编制等优点的柔性材料。石墨烯纤维继承了石墨烯优异的电学性能，力学性能和电化学性能以及良好的柔性，为纤维状电容器在可穿戴电子设备、智能服饰等领域的应用奠定了基础。 但是，石墨烯纤维状超级电容器仍然存在一些亟待解决的关键问题。比如石墨烯的内阻较大，以致电容器的充放电效率较低。还原后的石墨烯纤维的浸润性大大降低，不利于离子传输。此外用石墨烯纤维构成的超级电容器，比容较小。石墨烯纤维的拉伸强度和杨氏模量远远低于传统的碳纤维材料[7]。这些都限制了石墨烯纤维的发展 双金属层状氢氧化物因其独特的层状结构，可控粒子大小、合成成本低等优点而被广泛关注。双金属氢氧化物是一种结构高度有序并伴有多种优异性能的材料，它独特的空间结构不仅决定了自身优异的化学和物理性质，如碱性、离子交换性、热稳定性、导电性和结构与组成的可控性等，还为形成双电层电容提供了更大的比表面。与此同时，层板中的可变价阴离子更为产生高的法拉第准电容提供了大量的电化学活性位点。由于水滑石具有特殊的层状结构，导致层间阴离子具有多样性和可调性，为此类材料的 迅速发展提供了广阔空间，有望作为新型高性能超级电容材料。其中镍钴双金属氢氧化物因其电化学性能最好而被广泛应用于超级电容器中。然而镍钴双金属氢氧化物在合成过程中容易聚集，大大降低了材料的比表面积，导致离子转移速率降低，因此影响其超级电容性能[12-13]。 本文拟采用水热法合成镍钴双氢氧化物/石墨烯杂化纤维，石墨烯纤维中参杂镍钴双氢氧化物，可以有效提高石墨烯纤维的比电容，降低其内阻，大大提高离子传输速率。同时，在杂化纤维合成过程中，石墨烯能使镍钴双氢氧化物充分分散，增大双氢氧化物的比表面积，提高其超级电容性。 在石墨烯纤维中引入镍钴氢氧化物，可以让两种材料弥补批次缺点，得到集合两种材料优点的具有优异电化学性能的杂化纤维。
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2. 研究内容和预期目标
（1） 石墨烯纤维的制备
用湿法纺丝制备石墨烯纤维的制备[3,9]。湿法纺丝制备石墨烯纤维需要用到稳定分散的go溶液。在纺丝过程中，用注射器将纺丝液注入凝固浴，得到凝胶状的go纤维。凝胶状go纤维经过干燥后得到力学性能优异的go纤维，还原后即可得到导电性良好的rgo纤维。
（2）石墨烯烯纤维的力学及电学性能测试
3. 研究的方法与步骤
1 石墨烯纤维的制备
采用改进的hummers法制备氧化石墨烯，经水洗后，配制氧化石墨烯纺丝液，从纺丝毛细管中挤出，经空气层后进入凝固浴凝固成胶体纤维，干燥后经过还原制得石墨烯纤维。
所述的采用改进的hummers法制备氧化石墨烯的具体步骤如下：将12 g 石墨和 6 g nano3 加入 350 ml 浓硫酸中，冰水浴冷却至0℃，待机械搅拌均匀后缓慢加入72 g kmno4，加入速度以保持反应温度低于20°c为准，继续搅拌 2 h 后升温到35oc 氧化 6 小时。缓慢添加 550 ml 去离子水稀释，然后升温至98 °c 保温 10 min，水浴冷却至室温，继续添加1600 ml去离子水稀释，搅拌下添加30 wt %双氧水，直到没有气泡产生为止。将所得亮黄色产物转移到离心管中在 8000 rpm 下进行离心，收集并合并沉淀物。使用10 %稀盐酸洗涤沉淀，继续离心，然后用无水乙醇洗涤3 遍。最后在40 o c 真空烘箱中干燥24 小时，得到棕黄色氧化石墨粉末[5]。
4. 参考文献
| [1] Wang. X. L.; Shi, G. Q. EnegerEnviron. Sci. 2015, 8, 790- 792 [2] 王海燕,石高全.层状双金属氢氧化物/石墨烯复合材料及其在电化学能量存储与转换中的应用[J]. 物理化学学报, 2018, 34(1), 1-5 [3] Liu. Y; Xu. Z; Gao. W, et al.Graphene and Other 2D Collids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers.Advanced Materials, 2017, 29: 160- 169 [4] 麻伍军.石墨烯杂化纤维及其超级电容器的研究[D],上海东华大学,2016, 11:21-25 [5] Park. J. H; Ko. J. M; Park O CarbonNanotube/Ruo_ 2 Nano coposite Electrodes for Super- capa July, 2003, 256- 262[6] He. L.; Weniger. F.; Neumann.M. and Beller.M.; Angew; Chem, Int. Ed, May, 2016: 224- 256 [7] 刘英军;高性能石墨烯纤维[D].浙江，浙江大学，2017, 4: 18-19 [8] 秦勇，赵璟悠，晁磊等.石墨烯负载钴镍双金属氢氧化物纳米线的制备与性能研究[J]，常州大学学报，2015, 27（4）: 2-3 [9] 牛玉莲，金鑫，郑佳.石墨烯-钴镍双金属氢氧化物复合材料的制备及电化学性能研究,2012 , 9, 1-2 [10] Li. M, Zhang. X, Wang. X, etal. Ultrastrong graphene- based fibers with increased elongation[J]. NanoLetters, 2016, 16(10): 6511- 6515 [11] 张园园.双金属层状氢氧化物及其衍生物的电化学性质研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2018: 1-2 [12] 严涛.超级电容器用镍钴双金属氧化物多空复合材料的制备及性能研究[D].江苏无锡:江南大学，2013: 10-12 [13] 冯艳艳，黄宏斌，杨文等. 镍钴双金属氢氧化物/乙炔黑复合材料的制备及其电化学性能[J]: 桂林理工大学化学与生物工程学院广西电磁化学功能物质重点实验室,2018, 37(11): 1-2 |
5. 计划与进度安排
（1）第一周至三周：查阅参考相关文献，写出开题报告，制作开题报告答辩ppt
（2）第四周、第五周：进行开题报告答辩，合成氧化石墨烯
（3）第六周至第八周：用氧化石墨烯制备还原石墨烯纤维、测试纤维的力学性能及电学性能
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