石墨烯/分子筛/聚苯胺复合材料的制备及其性能研究

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超级电容器相对于传统电池,不仅功率密度高、循环性能好、充放电速度快,而且安全性能好、使用寿命长、环境污染小。因此越来越多的人开始关注并研究超级电容器,目前世界上大量的研究主要集中在超级电容器的电极材料上。  论文利用介孔二氧化硅孔道作为“纳米反应器”,采用原位化学氧化还原法,制备出具有插层结构的GO/mSiO2/PANI纳米复合电极材料。通过结构表征得到,聚苯胺在二氧化硅纳米孔道内合成,介孔二氧化硅进入到氧化石墨烯片层间,复合材料具有良好的热稳定性及结构规整性。对GO/mSiO2/PANI复合材料进行电化学测试,结果表明,当循环伏安扫描速率为10 mV/s时,GO/mSiO2/PANI的比电容(1105 F/g)远高于GO/PANI(562.4 F/g)的比电容;进行电化学循环性能充放电测试1000次,仍具有92.5%的电容保持率,电阻由1.87Ω增大到6.93Ω。以上结论均说明介孔二氧化硅及具有规整结构的聚苯胺插入到氧化石墨烯层间产生了协同效应,提高了GO/mSiO2/PANI复合材料的电化学性能。  论文以CV曲线计算出来的比容量为评价指标,探讨了反应时间、介孔二氧化硅/苯胺质量比、盐酸浓度、过硫酸铵/苯胺摩尔比、氧化石墨烯/苯胺质量比和反应温度对GO/mSiO2/PANI复合材料比容量的影响。实验结果表明,当反应时间为16 h、介孔二氧化硅/苯胺质量比为1:10、盐酸浓度为6 mol/L、过硫酸铵/苯胺摩尔比为1:3、氧化石墨烯/苯胺质量比为1:10和反应温度为10℃时,GO/mSiO2/PANI复合材料比容量最高,达到1247.2 F/g(扫描速率为50 mV/s)。  为了探讨分子筛结构对石墨烯/分子筛/聚苯胺复合材料电化学性能的影响,分别利用二维片层结构的MCM-41、球形放射孔道的介孔二氧化硅、拓扑结构具有三维孔道的ZSM-5分子筛作为“反应器”,制备了三种不同结构的超级电容器电极材料,分别是GO/MCM-41/PANI、GO/mSiO2/PANI和GO/ZSM-5/PANI复合材料。采用扫描电镜、FT-IR、XRD、TG对三种样品进行表征,结果表明GO/mSiO2/PANI复合材料具有较好的结构及热稳定性。采用三电极法测试材料的电化学性能,结果表明:当循环伏安扫描速率为10m V/s时,GO/mSiO2/PANI、GO/MCM-41/PANI和GO/ZSM-5/PANI比电容值分别是1105 F/g,863 F/g和1030F/g,可以看出GO/mSiO2/PANI的比电容值最大;GO/mSiO2/PANI复合材料电极电阻(1.87Ω)略小于GO/MCM-41/PANI(3.16Ω)和GO/ZSM-5/PANI(4.34Ω)的电阻。
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