三維氮摻雜多孔碳-聚苯胺復(fù)合物的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器作為未來能量存儲(chǔ)的綠色器件，以其充放電速率快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、循環(huán)穩(wěn)定性好、能量密度高等特點(diǎn)得到廣泛關(guān)注。其儲(chǔ)能性能主要依賴于電極材料，因此制備具有高性能、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的電極材料成為研究熱點(diǎn)。眾所周知，作為導(dǎo)電聚合物的聚苯胺（PANI）是超級(jí)電容器的優(yōu)良電極材料，主要是由于其成本低、易于合成、高導(dǎo)電性、多氧化態(tài)和高理論贗電容等優(yōu)點(diǎn)。然而，在高速率循環(huán)過程中PANI易發(fā)生顯著的體積變化，導(dǎo)致其產(chǎn)生循環(huán)壽命減小、電容衰減以及電導(dǎo)率下降等不

2、良后果。為了克服這些缺點(diǎn)，研究者們廣泛研究了PANI和多孔碳的復(fù)合材料，例如石墨烯、活性炭和碳納米管等。其中，石墨烯和PANI的復(fù)合材料受到相當(dāng)?shù)年P(guān)注。石墨烯擁有獨(dú)特二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物化特性，但在實(shí)際應(yīng)用中由于片層之間強(qiáng)的相互作用而產(chǎn)生堆疊，導(dǎo)致比表面積大大減小?；谏鲜龇治?，我們以3D草坪納米結(jié)構(gòu)碳基質(zhì)（PCM）為載體，并進(jìn)一步制備了草坪狀PCM/PANI納米復(fù)合材料。本論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　本文采用改進(jìn)的Hummers法

3、制備了氧化石墨烯(GO)，并通過稀釋溶液法將聚苯胺納米纖維組裝在石墨烯片層表面形成GO/PANI復(fù)合物，隨后通過對(duì)GO/PANI前驅(qū)體的碳化和堿活化處理，得到具有高比表面積的3D氮摻雜多孔碳基質(zhì)（PCM），最后通過原位聚合將PANI包覆在PCM表面上，得到最終產(chǎn)物PCM/PANI納米復(fù)合材料。同時(shí)還研究了碳材料制備過程中KOH的量對(duì)材料比表面積和孔徑的影響，在石墨烯表面組裝碳納米纖維的作用以及苯胺濃度對(duì)最終產(chǎn)物的電化學(xué)性能影響。采用SE

4、M、TEM、FT-IR、XRD、BET以及拉曼光譜對(duì)PCM碳材料和3D PCM/PANI納米復(fù)合物的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。同時(shí)將PCM和PCM/PANI復(fù)合材料分別作為工作電極，對(duì)他們進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，研究其電容性能及循環(huán)穩(wěn)定性等。通過實(shí)驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：
　?、賹?duì)前驅(qū)體物質(zhì)GO/PANI進(jìn)行活化時(shí)，研究不同KOH與碳的質(zhì)量比對(duì)活化后得到的碳材料的影響，其中當(dāng)KOH與碳的質(zhì)量比為2時(shí)，得到的PCM具有最大的比表面積、大量的微孔、較高

5、的氮/碳摩爾比、良好的電化學(xué)穩(wěn)定性以及高的比電容。
　　②通過在PCM表面原位聚合PANI制備得到PCM/PANI復(fù)合材料。通過SEM、TEM、FT-IR、XRD、BET以及拉曼光譜等一系列表征，證明聚苯胺納米纖維很好的生長(zhǎng)在PCM表面，并保持良好的草坪狀結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)復(fù)合材料與碳材料的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)他們之間存在強(qiáng)的相互作用力，并起到良好的協(xié)調(diào)作用。
　?、厶骄坎煌桨窛舛葘?duì)復(fù)合物性能的影響發(fā)現(xiàn)當(dāng)苯胺濃度為0.05mol/L時(shí)

6、，制備得到的PCM/PANI復(fù)合材料具有最佳的電化學(xué)性能，這是由于該新型結(jié)構(gòu)有著高界面面積、快速電荷轉(zhuǎn)移路徑以及短的離子擴(kuò)散通道。同時(shí)電解液離子可沿聚苯胺納米纖維壁進(jìn)入材料內(nèi)部，進(jìn)一步提高了電極材料的利用率與電化學(xué)性能。此外，草坪狀碳基質(zhì)對(duì)于聚苯胺的錨定，可以大大減小聚苯胺在充放電過程中的坍塌形變，從而大大提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，材料在1Ag-1的電流密度下比電容為527 Fg-1。在電流密度為10 Ag-1時(shí)經(jīng)過10