三維氮摻雜多孔碳-聚苯胺復合物的制備及其電化學性能研究.pdf

1、超級電容器作為未來能量存儲的綠色器件，以其充放電速率快、循環(huán)壽命長、循環(huán)穩(wěn)定性好、能量密度高等特點得到廣泛關(guān)注。其儲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。眾所周知，作為導電聚合物的聚苯胺（PANI）是超級電容器的優(yōu)良電極材料，主要是由于其成本低、易于合成、高導電性、多氧化態(tài)和高理論贗電容等優(yōu)點。然而，在高速率循環(huán)過程中PANI易發(fā)生顯著的體積變化，導致其產(chǎn)生循環(huán)壽命減小、電容衰減以及電導率下降等不

2、良后果。為了克服這些缺點，研究者們廣泛研究了PANI和多孔碳的復合材料，例如石墨烯、活性炭和碳納米管等。其中，石墨烯和PANI的復合材料受到相當?shù)年P(guān)注。石墨烯擁有獨特二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物化特性，但在實際應用中由于片層之間強的相互作用而產(chǎn)生堆疊，導致比表面積大大減小。基于上述分析，我們以3D草坪納米結(jié)構(gòu)碳基質(zhì)（PCM）為載體，并進一步制備了草坪狀PCM/PANI納米復合材料。本論文主要研究內(nèi)容如下：
　　本文采用改進的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復合物，隨后通過對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納米復合材料。同時還研究了碳材料制備過程中KOH的量對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最終產(chǎn)物的電化學性能影響。采用SE

4、M、TEM、FT-IR、XRD、BET以及拉曼光譜對PCM碳材料和3D PCM/PANI納米復合物的形貌和結(jié)構(gòu)進行表征。同時將PCM和PCM/PANI復合材料分別作為工作電極，對他們進行電化學測試，研究其電容性能及循環(huán)穩(wěn)定性等。通過實驗研究得到以下結(jié)論：
　?、賹η膀?qū)體物質(zhì)GO/PANI進行活化時，研究不同KOH與碳的質(zhì)量比對活化后得到的碳材料的影響，其中當KOH與碳的質(zhì)量比為2時，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、良好的電化學穩(wěn)定性以及高的比電容。
　?、谕ㄟ^在PCM表面原位聚合PANI制備得到PCM/PANI復合材料。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在PCM表面，并保持良好的草坪狀結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)復合材料與碳材料的對比，發(fā)現(xiàn)他們之間存在強的相互作用力，并起到良好的協(xié)調(diào)作用。
　?、厶骄坎煌桨窛舛葘秃衔镄阅艿挠绊懓l(fā)現(xiàn)當苯胺濃度為0.05mol/L時

6、，制備得到的PCM/PANI復合材料具有最佳的電化學性能，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散通道。同時電解液離子可沿聚苯胺納米纖維壁進入材料內(nèi)部，進一步提高了電極材料的利用率與電化學性能。此外，草坪狀碳基質(zhì)對于聚苯胺的錨定，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。電化學測試結(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時經(jīng)過10