聚苯胺及其炭基復(fù)合物的制備和電容性能研究.pdf

1、電化學(xué)電容器以其獨(dú)特的儲能優(yōu)勢，得到了大量學(xué)者的廣泛研究，探索性能更優(yōu)、應(yīng)用更廣的實用性電極材料是研究電化學(xué)電容器的關(guān)鍵所在。在眾多已研究的材料中，導(dǎo)電聚合物的性能尤其突出(例如高電容、電化學(xué)可逆性等)，其中聚苯胺(PANI)的電容性能格外出眾。然而，PANI在兼具各種優(yōu)點(diǎn)的同時，也因循環(huán)壽命低、倍率性能欠佳而在應(yīng)用方面受到了致命性的阻礙。將化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且導(dǎo)電性能優(yōu)異的材料與PANI進(jìn)行復(fù)合是克服該障礙的絕佳途徑，炭材料因具有以上優(yōu)點(diǎn)而

2、被廣泛地采用。
　　本論文通過不同的合成方法，成功制備了三種微觀形貌迥異的PANI，與此同時將其作為電極材料評價了它們的電容器性能。接著，通過引入多壁碳納米管(MWCNT)和還原氧化石墨烯(RGO)來提升純PANI的電容和循環(huán)穩(wěn)定性，電容性能測試結(jié)果顯示，該途徑可靠、有效。本論文分為四章，從理論和實驗的角度闡述并證實了炭復(fù)合聚苯胺作為電極材料的性能優(yōu)勢。
　　第一章：概述了電化學(xué)電容器的組成及工作原理；闡述了PANI的結(jié)構(gòu)、

3、導(dǎo)電原理、摻雜機(jī)理和合成方法；簡介了目前國內(nèi)外PANI及其復(fù)合物在電化學(xué)電容器方面的研究及應(yīng)用。
　　第二章：以丁二酸二異辛酯磺酸鈉為表面活性劑、樟腦磺酸為摻雜酸、過硫酸銨為氧化劑，通過微乳聚合法合成了 PANI。形貌分析顯示，該 PANI為長纖維通過交聯(lián)形式構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。采用循環(huán)伏安、恒流充放電和交流阻抗技術(shù)對其電容性能進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，在電流密度為0.5 A/g的測試條件下，其比電容為498.7 F/g；當(dāng)電流密度增至2

4、.0 A/g，比電容降至362.4 F/g，電容保持率為72.7％；在電流密度為5.0 A/g的條件下，經(jīng)過1000圈充放電后，電容保持率為65.1％。為了提升交聯(lián)網(wǎng)狀PANI(cPANI)的電容性能，我們引入導(dǎo)電性能優(yōu)異、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的MWCNT，通過原位聚合法，獲得了交聯(lián)網(wǎng)狀聚苯胺@多壁碳納米管復(fù)合物(cPANI@MWCNT)。復(fù)合物的微觀形貌分析顯示，它是MWCNT被PANI交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包覆的核殼結(jié)構(gòu)。采用同樣的測試條件，對復(fù)合物的電

5、容性能進(jìn)行了研究。在0.5 A/g的電流密度下，復(fù)合物的比電容為639.7 F/g，高出cPANI28.4％，在2.0 A/g的電流密度下，其比電容為521.8 F/g，倍率為81.6％。1000圈的循環(huán)壽命為77.2％。復(fù)合物較 cPANI不僅電容值有所提高，而且倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性也有明顯提升，說明 MWCNT的引入有效地促進(jìn)了材料的電容性能。
　　第三章：以樟腦磺酸為摻雜酸、過硫酸銨為氧化劑，通過簡單的化學(xué)氧化聚合法制得了顆

6、粒狀PANI，通過原位聚合法合成了顆粒狀PANI/MWCNT復(fù)合物。在電流密度為0.5 A/g時，顆粒狀PANI的比電容為451.9 F/g，在電流密度為2.0 A/g時，比電容為274.6 F/g，電容保持率為60.8％。經(jīng)過1000次恒流充放電后，顆粒狀PANI的電容保持率僅為57.9％。通過測試發(fā)現(xiàn)，顆粒狀PANI的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性不盡人意。為了改善這種情況，將 MWCNT引入，制得顆粒狀PANI/MWCNT復(fù)合物。在電流密度為0

7、.5 A/g時，復(fù)合物的比電容為629.0 F/g，電流密度增至2.0 A/g時，比電容為494.0 F/g(倍率為78.5％)。1000圈的循環(huán)壽命為74.4％，高出純PANI28.5％。電容性能測試結(jié)果顯示，復(fù)合物的電容性能明顯優(yōu)于純PANI。
　　第四章：以十二烷基硫酸鈉為表面活性劑、鹽酸為摻雜酸、過硫酸銨為氧化劑，通過微乳聚合法，制備出形貌極為特殊的管狀 PANI，其管是由短纖維呈陣列狀緊密排列在其表面所構(gòu)成的。在電流密度

8、為0.5 A/g時，其比電容達(dá)到457.3 F/g，電流密度為2.0 A/g時，比電容為212.4 F/g(倍率為46.5％)，表明管狀PANI的倍率特性不佳。在5.0 A/g的電流密度下經(jīng)歷充放電1000圈后，其電容保持率為63.6％。為了改善純PANI的倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性，我們將單層RGO引入PANI體系中，通過原位聚合法，制得了RGO含量分別為10.7％、22.7％和52.6％的PANI/RGO復(fù)合物。形貌分析表明，復(fù)合后PAN