多孔聚苯胺及其衍生電極材料的制備及其電容性能的研究.pdf

1、二十一世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,但人們同時也面臨氣候變暖、可利用資源日益枯竭等一系列嚴(yán)峻的問題。這就要求人們?nèi)ラ_發(fā)清潔、可再生能源以滿足人們的需求。此時,超級電容器應(yīng)需而生,并且發(fā)現(xiàn)它是一個重要的能量存儲裝備。一個先進(jìn)的超級電容器與具有優(yōu)異電化學(xué)性能的電極活性材料是密不可分的。因此,本文采用模板法制備了贗電容電極材料導(dǎo)電聚合物---聚苯胺(PANI),同時將其做為前驅(qū)體,對其碳化和活化處理得到雙電層電極材料---多孔含氮碳材料,在此基礎(chǔ)上,以

2、多孔含氮碳材料為載體制備了活性炭/二氧化錳(AC/MnO2)復(fù)合材料。通過XRD、SEM、TEM、Raman、XPS等表征手段對所制備材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,詳細(xì)研究了制備工藝、原料比例、材料組成以及微觀結(jié)構(gòu)對電化學(xué)性能的影響。最后,將適宜的電極材料匹配組裝成非對稱超級電容器,通過循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗和循環(huán)壽命測試對其電化學(xué)性能進(jìn)行表征,具體研究內(nèi)容如下:
　　本文以直徑為20nm的球形二氧化硅(SiO2)為模板,采用模

3、板法制備了不同形貌的PANI。所制備的PANI形貌與SiO2含量有關(guān)。當(dāng)SiO2含量為零時,所得到的PANI為納米片層結(jié)構(gòu);當(dāng)SiO2和PANI比例小于2:1時,所得到的PANI為帶孔洞的片層結(jié)構(gòu);當(dāng)SiO2和PANI比例為10:1時,所得到的PANI為三維交聯(lián)的球形空殼結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明材料的微觀結(jié)構(gòu)對PANI電化學(xué)性能有顯著影響,球形空殼結(jié)構(gòu)(SiO2:PANI=10:1)由于比表面積高,同時在材料內(nèi)部存在電解液存儲空間,縮短了離子

4、傳輸距離,因此具有優(yōu)良的電化學(xué)性能。同時這種薄的殼層結(jié)構(gòu)也在一定程度上抑制了PANI材料在電荷存儲過程中由于離子反復(fù)嵌插導(dǎo)致材料斷裂,從而有利于其循環(huán)穩(wěn)定性的提高。
　　多孔PANI本身不僅是一種性能優(yōu)良的電極材料,還是多孔碳的前驅(qū)體,為此我們將所制備的PANI樣品通過碳化和活化處理會得到多孔含氮碳材料。研究發(fā)現(xiàn)PANI的這種孔洞結(jié)構(gòu)在碳化和活化過程中被很好的保留下來,同時碳化和活化過程還在孔壁上產(chǎn)生了很多微孔,提高了材料的有效比

5、表面積。經(jīng)過碳化、活化后,以SiO2:PANI=2:1時制備的薄片狀多孔聚苯胺為前驅(qū)體所制備的多孔含氮活性炭(A-SiO2:PANI=2:1)具有最好的電化學(xué)性能,不僅容量高,而且大電流充放電時容量保持率好、循環(huán)穩(wěn)定性高。
　　在此基礎(chǔ)上,我們以A-SiO2:PANI=2:1多孔含氮碳為載體,采用微波法在其表面負(fù)載MnO2制備了AC/MnO2復(fù)合材料,使這種材料具備雙電層電容以及贗電容材料的優(yōu)點,并詳細(xì)地研究了MnO2含量對復(fù)合材

6、料容量、容量保持率的影響。在進(jìn)行材料性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上,以AC/84.69％-MnO2作為為正極材料,以A-SiO2:PANI=2:1為負(fù)極材料,組裝了AC/84.69%-MnO2//A-SiO2:PANI=2:1非對稱超級電容器。這個非對稱超級電容器在中性電解液(1mol·L-1Na2SO4)中的電壓窗可達(dá)到1.8V,因此兼具高的能量密度和功率密度,經(jīng)過1500次循環(huán)后,AC/84.69%-MnO2//A-SiO2:PANI=2:1非對