聚苯胺-二氧化錫納米棒陣列的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器因其快速地充放電能力、長(zhǎng)的循環(huán)壽命以及高的功率密度而被認(rèn)為是一種新型的電化學(xué)能量存儲(chǔ)元件。電極材料的設(shè)計(jì)與合成對(duì)于超級(jí)電容器的應(yīng)用至關(guān)重要。在眾多超級(jí)電容器的電極材料中，聚苯胺(PANI)因具有高的理論比容量、低成本和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是潛在的超級(jí)電容器電極材料，具有良好的應(yīng)用前景。超級(jí)電容器實(shí)際的電化學(xué)性能與電極活性材料的結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性有著緊密的聯(lián)系。然而，PANI較差的循環(huán)穩(wěn)定性能限制了其廣泛地應(yīng)用，這主要是因?yàn)樵谫|(zhì)

2、子的摻雜和去摻雜的過(guò)程中PANI發(fā)生了體積的膨脹、收縮甚至破裂。本文將具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性的二氧化錫(SnO2)納米棒陣列(NRA)與PANI復(fù)合，制備成緊密連接的二元復(fù)合材料，SnO2一維納米棒結(jié)構(gòu)可有效地提升電荷的傳輸效率，此外，PANI和SnO2之間有機(jī)與無(wú)機(jī)界面的緊密結(jié)合也有效地提升了PANI的循環(huán)穩(wěn)定性能，使PANI/SnO2NRA復(fù)合材料具有良好的電化學(xué)性能。本論文針對(duì)PANI/SnO2NRA，聚苯胺-還原氧化

3、石墨烯/二氧化錫納米棒陣列（PANI-rGO/SnO2NRA）和聚苯胺-還原氧化石墨烯/氮摻雜二氧化錫納米棒陣列(PANI-rGO/N-SnO2NRA)復(fù)合材料，研究其單電極的電化學(xué)性質(zhì)以及在超級(jí)電容器中的實(shí)際應(yīng)用。本論文的研究工作具體包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)PANI/SnO2NRA的制備及電化學(xué)性能研究
　　PANI/SnO2NRA米用種子輔助的水熱和電化學(xué)聚合的方法制備。SnO2NRA先通過(guò)種子輔助的水熱方法生長(zhǎng)在

4、碳纖維表面上，再利用電化學(xué)聚合的方法將PANI沉積到SnO2NRA上。掃描電鏡結(jié)果顯示，PANI/SnO2NRA的結(jié)構(gòu)為SnO2NRA均勻地生長(zhǎng)在碳纖維的表面上，沉積完P(guān)ANI之后，PANI一部分以納米纖維包裹在SnO2NRA上，直徑約100nm，另一部分以層狀結(jié)構(gòu)包裹在SnO2NRA的表面上和填充在SnO2NRA之間的間隙中。通過(guò)充放電測(cè)試，PANI/SnO2NRA電極在0.5A g-1的電流密度下的比容量為367.5F g-1，當(dāng)電

5、流密度增加到5A g-1時(shí)，比容量為231.9F g-1，電容保持率為61.6％，展現(xiàn)了良好的倍率性能。循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明，PANI/SnO2NRA電極在5A g-1的電流密度下進(jìn)行2000次充放電測(cè)試，其容量保持率為88.3％，展現(xiàn)良好的循環(huán)性能。
　　基于聚乙烯醇-硫酸(PVA-H2SO4)凝膠電解質(zhì)，組裝PANI/SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器。通過(guò)充放電測(cè)試，PANI/SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器在0.2A g

6、-1電流密度下的比容量為44.9F g-1，當(dāng)電流密度增大到2A g-1時(shí)，比容量為25.7Fg-1，容量保持率為57.2％。當(dāng)功率密度從180W Kg-1增加到1800W Kg-1，能量密度從20.2Wh Kg-1降低到11.6Wh Kg-1。通過(guò)循環(huán)性能測(cè)試，PANI/SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器在1A g-1的電流密度下進(jìn)行2000次充放電測(cè)試，電容保持率高達(dá)98.0％。對(duì)PANI/SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器充電

7、完之后，其可以點(diǎn)亮紅光二極管。綜上表明PANI/SnO2NRA可以作為超級(jí)電容器的電極材料。
　　(2)PANI-rGO/SnO2NRA的制備及電化學(xué)性能研究
　　PANI-rGO/SnO2NRA采用電化學(xué)聚合的方法將PANI和rGO一起沉積到SnO2NRA上制備。掃描電鏡結(jié)果顯示，PANI以納米線（直徑為100～200nm）和層狀結(jié)構(gòu)包裹在SnO2NRA。充放電測(cè)試顯示，PANI-rGO/SnO2NRA電極在0.5A g-

8、1的電流密度下比容量為624.3F g-1，高于PANI-rGO的532.5F g-1，當(dāng)電流密度的升高到5Ag-1時(shí)，比容量為484.4F g-1，電容保持率為77.6％，展現(xiàn)了良好的倍率性能。PANI-rGO/SnO2NRA電極在5A g-1的電流密度下進(jìn)行2000次循環(huán)充放電測(cè)試，電容保持率為96.3％，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　利用PVA-H2SO4凝膠電解質(zhì)，組裝PANI-rGO/SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器

9、。隨著電流密度從0.2A g-1增大到2A g-1，PANI-rGO/SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器的比容量從46.4Fg-1降到39.6F g-1，容量保持率為85.3％，展現(xiàn)了良好的倍率性能。當(dāng)功率密度從180W Kg-1增加到1800W Kg-1，能量密度從20.8Wh Kg-1降低到17.8WhKg-1。PANI-rGO/SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器在1Ag-1的電流密度下進(jìn)行2000次循環(huán)充放電測(cè)試，最終的電容保

10、持率為80.8％。對(duì)PANI-rGO/SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器充電完之后，其可以點(diǎn)亮紅光二極管。綜上表明PANI-rGO/SnO2NRA適合作為超級(jí)電容的電極材料。
　　(3)PANI-rGO/N-SnO2NRA的制備及電化學(xué)性能研究
　　N-SnO2NRA先通過(guò)氨熱方法合成，再采用電化學(xué)聚合的方法將PANI和rGO沉積到N-SnO2NRA上制備出PANI-rGO/N-SnO2NRA。掃描電鏡結(jié)果顯示，N-SnO

11、2NRA在碳纖維的表面上呈現(xiàn)四棱柱形納米棒陣列的結(jié)構(gòu)，其端面的棱長(zhǎng)為50～60nm之間。沉積完P(guān)ANI之后，PANI部分以直徑在100～200nm之間的納米纖維的形式包裹在N-SnO2NRA上，而部分PANI以層的形式包裹在N-SnO2NRA的納米棒上，直徑變?yōu)?00～150nm之間，形成核殼結(jié)構(gòu)。通過(guò)充放電測(cè)試，PANI-rGO/N-SnO2NRA電極在0.5A g-1的電流密度下的比容量為1108.4Fg-1，當(dāng)電流密度升到5Ag-

12、1時(shí)，比容量為1028.7F g-1，電容保持率為92.8％，展現(xiàn)了良好的倍率性能。循環(huán)測(cè)試結(jié)果顯示，PANI-rGO/N-SnO2NRA電極在5Ag1的電流密度下進(jìn)行2000次充放電測(cè)試，容量保持率為73.6％，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　利用PVA-H2SO4凝膠電解質(zhì)，組裝PANI-rGO/N-SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器。隨著電流密度從0.2A g-1增大到2Ag-1，PANI-rGO/N-SnO2NRA全固態(tài)對(duì)

13、稱(chēng)型超級(jí)電容器的比容量從59.0Fg-1降到50.9F g-1，容量保持率86.3％，展現(xiàn)了良好的倍率性能。隨著功率密度從180W·Kg-1增加到1800W·Kg-1，能量密度從26.6Wh Kg-1降低到22.9Wh Kg-1。在1Ag-1的電流密度下進(jìn)行2000次循環(huán)充放電測(cè)試，PANI-rGO/N-SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器的電容保持率為56.1％，對(duì)PANI-rGO/N-SnO2NRA全固態(tài)對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器充電完之后，