聚苯胺基炭材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、伴隨著化石燃料的消耗，能源儲(chǔ)量的日益枯竭，環(huán)境污染成為越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題。我們必須尋找清潔、綠色、可再生能源，以確保經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。近些年來(lái)，區(qū)別于傳統(tǒng)能源材料的儲(chǔ)能材料已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用新型的儲(chǔ)能設(shè)備（如鋰離子二次電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池）。鋰離子二次電池和超級(jí)電容器作為新型的儲(chǔ)能設(shè)備，廣泛應(yīng)用到便攜式電器如手機(jī)和筆記本電腦，發(fā)電站和電動(dòng)汽車(chē)。儲(chǔ)能設(shè)備的性能取決于電極材料。在不同電極材料中，炭材料因其儲(chǔ)量豐富，高的比表面積、導(dǎo)電性

2、和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。
　　超級(jí)電容器用的炭電極材料的儲(chǔ)能機(jī)理是雙電層儲(chǔ)能機(jī)理，但是雙電層儲(chǔ)能機(jī)理所獲得的容量不足以滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)的需要。到目前為止，為了解決這一問(wèn)題，研究者嘗試了許多方法。在炭材料中引入贗電容被認(rèn)為是一種有效的方法，所獲得的材料同時(shí)具備贗電容和雙電層電容的優(yōu)點(diǎn)。聚苯胺制備簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境友好，并且具有高的氮炭比值(0.167)，因此被認(rèn)為是最具有潛力的制備摻雜炭材料的前驅(qū)體。聚苯胺作為一種贗電容電極材料，在充

3、放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致材料體積的嚴(yán)重變化，影響其倍率性能和循環(huán)壽命，聚苯胺的導(dǎo)電性也會(huì)影響其儲(chǔ)能性質(zhì)。將聚苯胺與炭基材料進(jìn)行復(fù)合，可以改善材料的導(dǎo)電性并且提高電容性能。
　　本文研究圍繞聚苯胺進(jìn)行，分別制備了以聚苯胺為前驅(qū)體的摻雜炭材料和聚苯胺/炭復(fù)合材料。通過(guò)一系列的測(cè)試手段，探究了摻雜炭材料形貌、表面官能團(tuán)、孔結(jié)構(gòu)等對(duì)其電化學(xué)性能的影響，為高性能電極材料的制備提供可行的思路。
　　采用氧化法

4、，制備聚苯胺納米管，對(duì)所得的聚苯胺納米管進(jìn)行炭化活化處理。所得的活性碳管具有很高的比表面積(2979m2 g-1)和氧含量(15.72 at％)，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，0.1Ag-1的電流密度下獲得468Fg-1的容量，甚至在10Ag-1的電流密度下依然可以獲得327Fg-1的容量，同時(shí)具有良好的倍率性能和循環(huán)壽命。為了研究材料中含氧官能團(tuán)對(duì)電容性能的影響，對(duì)所得樣品進(jìn)行還原處理，將還原前后樣品進(jìn)行對(duì)比。推斷吡咯氮(N-5)、吡啶型氮

5、(N-6)和醌型C=O可以提供贗電容而對(duì)超級(jí)電容器容量有貢獻(xiàn)。
　　采用水熱法，通過(guò)一步反應(yīng)制得具有空心結(jié)構(gòu)的聚苯胺納米球。將所得聚苯胺納米球在不同溫度下進(jìn)行炭化處理，700℃炭化得到的空心炭球比表面積為251m2 g-1，氮元素的含量為7.3at％，氧含量為9.3at％，表現(xiàn)出優(yōu)異電容性能，在0.2A g-1的電流密度下容量為241F g-1，在大電流10A g-1電流密度下的容量仍有120F g-1。優(yōu)秀的電化學(xué)性能可以歸因于

6、雜原子摻雜和空心結(jié)構(gòu)。含氧和含氮的官能團(tuán)不僅可以提高電極材料浸潤(rùn)性，也通過(guò)引入贗電容提高了電容性能。獨(dú)特的空心結(jié)構(gòu)提供了高的比表面積，縮短電荷傳輸擴(kuò)散路徑，利于倍率性能的提高。
　　為了獲得更大的比表面積，將所得的空心炭球進(jìn)行活化處理可以得到多孔空心炭球，活化所得的多孔空心炭球具有高的比表面積(大于1700m2g-1)。具有球形形貌的炭材料應(yīng)用于鋰離子二次電池時(shí)，堆積密度大、可提高電極能量密度，并且球形結(jié)構(gòu)有利于鋰離子從各個(gè)方向脫

7、嵌，減小固相擴(kuò)散電阻，中空結(jié)構(gòu)通常比實(shí)心結(jié)構(gòu)具有更好的倍率性能。將所得的多孔炭球應(yīng)用于鋰離子二次電池，在50mA g-1的電流密度下獲得1004mAhg-1的可逆容量，尤其是在大電流下3Ag-1，獲得325mAh g-1的可逆容量。
　　通過(guò)原位聚合的方法，制備了一種聚苯胺/多孔空心炭球復(fù)合材料應(yīng)用于超級(jí)電容器。多孔空心炭球采用聚苯胺為前驅(qū)體通過(guò)炭化活化處理獲得。和傳統(tǒng)的活性炭相比，多孔空心炭球具有獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)。研究了聚苯胺在多

8、孔空心炭球上的負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料形貌和電化學(xué)性能的影響。當(dāng)苯胺單體和多孔空心炭球的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，復(fù)合材料獲得最佳的電化學(xué)性能。在0.1Ag-1的電流密度下，具有559F g-1比容量，在大電流5Ag-1的電流密度下獲得386F g-1的比容量.
　　采用水/N，N二甲基甲酰胺體系，原位聚合的方法制備了一種銀耳狀石墨烯/聚苯胺復(fù)合材料。研究了聚苯胺負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料形貌和電化學(xué)性能的影響。當(dāng)苯胺單體和石墨烯質(zhì)量比10∶1時(shí)，可以獲得