论文部分内容阅读
电化学电容器以其独特的储能优势,得到了大量学者的广泛研究,探索性能更优、应用更广的实用性电极材料是研究电化学电容器的关键所在。在众多已研究的材料中,导电聚合物的性能尤其突出(例如高电容、电化学可逆性等),其中聚苯胺(PANI)的电容性能格外出众。然而,PANI在兼具各种优点的同时,也因循环寿命低、倍率性能欠佳而在应用方面受到了致命性的阻碍。将化学性质稳定且导电性能优异的材料与PANI进行复合是克服该障碍的绝佳途径,炭材料因具有以上优点而被广泛地采用。本论文通过不同的合成方法,成功制备了三种微观形貌迥异的PANI,与此同时将其作为电极材料评价了它们的电容器性能。接着,通过引入多壁碳纳米管(MWCNT)和还原氧化石墨烯(RGO)来提升纯PANI的电容和循环稳定性,电容性能测试结果显示,该途径可靠、有效。本论文分为四章,从理论和实验的角度阐述并证实了炭复合聚苯胺作为电极材料的性能优势。第一章:概述了电化学电容器的组成及工作原理;阐述了PANI的结构、导电原理、掺杂机理和合成方法;简介了目前国内外PANI及其复合物在电化学电容器方面的研究及应用。第二章:以丁二酸二异辛酯磺酸钠为表面活性剂、樟脑磺酸为掺杂酸、过硫酸铵为氧化剂,通过微乳聚合法合成了PANI。形貌分析显示,该PANI为长纤维通过交联形式构成的网状结构。采用循环伏安、恒流充放电和交流阻抗技术对其电容性能进行了测试,结果显示,在电流密度为0.5 A/g的测试条件下,其比电容为498.7 F/g;当电流密度增至2.0 A/g,比电容降至362.4 F/g,电容保持率为72.7%;在电流密度为5.0 A/g的条件下,经过1000圈充放电后,电容保持率为65.1%。为了提升交联网状PANI(cPANI)的电容性能,我们引入导电性能优异、化学性质稳定的MWCNT,通过原位聚合法,获得了交联网状聚苯胺@多壁碳纳米管复合物(cPANI@MWCNT)。复合物的微观形貌分析显示,它是MWCNT被PANI交联网络包覆的核壳结构。采用同样的测试条件,对复合物的电容性能进行了研究。在0.5 A/g的电流密度下,复合物的比电容为639.7 F/g,高出cPANI 28.4%,在2.0 A/g的电流密度下,其比电容为521.8 F/g,倍率为81.6%。1000圈的循环寿命为77.2%。复合物较cPANI不仅电容值有所提高,而且倍率性能和循环稳定性也有明显提升,说明MWCNT的引入有效地促进了材料的电容性能。第三章:以樟脑磺酸为掺杂酸、过硫酸铵为氧化剂,通过简单的化学氧化聚合法制得了颗粒状PANI,通过原位聚合法合成了颗粒状PANI/MWCNT复合物。在电流密度为0.5 A/g时,颗粒状PANI的比电容为451.9 F/g,在电流密度为2.0A/g时,比电容为274.6 F/g,电容保持率为60.8%。经过1000次恒流充放电后,颗粒状PANI的电容保持率仅为57.9%。通过测试发现,颗粒状PANI的倍率和循环稳定性不尽人意。为了改善这种情况,将MWCNT引入,制得颗粒状PANI/MWCNT复合物。在电流密度为0.5 A/g时,复合物的比电容为629.0 F/g,电流密度增至2.0 A/g时,比电容为494.0 F/g(倍率为78.5%)。1000圈的循环寿命为74.4%,高出纯PANI 28.5%。电容性能测试结果显示,复合物的电容性能明显优于纯PANI。第四章:以十二烷基硫酸钠为表面活性剂、盐酸为掺杂酸、过硫酸铵为氧化剂,通过微乳聚合法,制备出形貌极为特殊的管状PANI,其管是由短纤维呈阵列状紧密排列在其表面所构成的。在电流密度为0.5 A/g时,其比电容达到457.3F/g,电流密度为2.0 A/g时,比电容为212.4 F/g(倍率为46.5%),表明管状PANI的倍率特性不佳。在5.0 A/g的电流密度下经历充放电1000圈后,其电容保持率为63.6%。为了改善纯PANI的倍率特性和循环稳定性,我们将单层RGO引入PANI体系中,通过原位聚合法,制得了RGO含量分别为10.7%、22.7%和52.6%的PANI/RGO复合物。形貌分析表明,复合后PANI呈纤维状分布在RGO表面。电化学测试显示,在0.5 A/g电流密度下,三种复合物的比电容分别为655.5、684.2和570.5 F/g。随着RGO含量的增加复合物的倍率(66.1、74.3和78.7%)和循环稳定性(75.8、81.8和84.7%)都逐渐升高。