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超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性和潜在的应用,越来越受到人们的重视,其中电极材料决定了超级电容器的电容性能。目前主要的电极材料有碳材料、金属氧化物材料与导电聚合物三种,而单一的电极材料总存在某些缺点,而复合电极材料的研究正好克服单一材料的缺陷,提高了电极材料的综合性能。导电聚合物中聚苯胺与碳材料复合材料,由于较好的协同效应,成为最有可能实际应用到电极材料的复合材料之一。
本论文基于聚苯胺与碳纳米管和石墨烯,制备了多种特殊结构的纳米复合材料,并研究了这些材料用作超级电容器电极材料的电容性能,具体研究内容如下:
1.利用苯胺阳离子与碳纳米管表面含氧阴离子的静电力作用,在纳米管的表面原位聚合制备了聚苯胺纳米棒垂直于多壁碳纳米管表面的狼牙棒状结构复合材料。聚苯胺纳米棒的存在有效增加了复合材料的比表面积,有利于电解质离子的迁移和传输,同时由于聚苯胺与多壁碳纳米管的协同效应,复合材料表现出较好的电化学性能和较高的单位电容,可作超级电容器的电极材料。
2.由于芘磺酸中四个共轭苯环与多壁碳纳米管表面具有强的π-π相互作用,因此芘磺酸能够增强多壁碳纳米管在水中的分散性,同时芘磺酸中的磺酸基能够用作苯胺的掺杂剂,引导苯胺在多壁碳纳米管的表面聚合,制备了均一核壳结构聚苯胺/多壁碳纳米管复合材料,因为复合材料保持了多壁碳纳米管最初完美的层状石墨结构,所以极大提高了复合材料的电容性能,这也为制备核壳结构杂化材料提供了新思路。
3.基于氧化石墨烯表面含氧基团与苯胺阳离子之间的静电力作用,制备了聚苯胺纳米线阵列于氧化石墨烯表面和边缘的多级结构复合材料,将复合材料进一步还原和高温碳化,得到了多孔碳纳米线阵列于石墨烯表面的多级结构碳材料。由于多孔聚苯胺纳米线阵列的存在,极大地增加了碳材料的比表面积,有利于电解质离子的转移和传输,此外氮元素引入到碳材料的基体中也使碳材料同时具有双层电容和赝电容的双重特性,有效地提高了多级结构碳材料的电容性能。
4.用芘磺酸对石墨进行超声剥离,基于芘环与单层石墨之间较强的π-π相互作用且磺酸基团较强的亲水性,可以成功从石墨中剥离出石墨烯片。同时利用磺酸基对苯胺的掺杂作用制备了三明治结构的聚苯胺/石墨烯复合材料,该复合材料具有较高的单位电容,可以用作超级电容器的电极材料,也为制备聚苯胺/石墨烯复合材料提供了新的途径。
5.利用氧化石墨烯和多壁碳纳米管良好的相互分散作用,通过真空抽滤制备了氧化石墨烯/多壁碳纳米管复合柔性膜,进一步聚合苯胺和还原氧化石墨烯得到了聚苯胺/石墨烯/多壁碳纳米管三元柔性复合膜。由于碳纳米管有效地阻止了石墨烯的层叠和堆积并且弥补了石墨烯表面的缺陷,所制备的三元复合膜有着较好的电容性能,可用作电化学超级电容器柔性电极材料。