基于N-取代羧基聚苯胺共價(jià)接枝石墨烯復(fù)合材料的合成與電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能裝置，具有高功率密度、高比電容、循環(huán)穩(wěn)定性好、節(jié)能環(huán)保而廣泛應(yīng)用于汽車、通訊、發(fā)電以及軍事等領(lǐng)域。其中，電極材料是超級(jí)電容器的性能好壞的關(guān)鍵，石墨烯和導(dǎo)電聚苯胺具有優(yōu)異的性能而常用做電極材料。石墨烯作為碳材料家族的一員，它具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)性能因而適用于納米復(fù)合材料、傳感器、導(dǎo)電薄膜等應(yīng)用中。然而，石墨烯化學(xué)惰性較強(qiáng)，極易團(tuán)聚，限制了石墨烯應(yīng)用和研究。導(dǎo)電聚苯胺因合成簡(jiǎn)單、原料低廉、獨(dú)特的摻雜機(jī)理而受

2、到廣泛關(guān)注，但是導(dǎo)電性不高、不溶不熔的缺陷也限制了它的發(fā)展。通常制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合材料來(lái)克服兩者的缺陷充分發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，但這種材料組分間較弱的作用力也存在相容性問(wèn)題，進(jìn)一步影響材料的電化學(xué)性能的發(fā)揮。
　　本文以獲得比電容高、循環(huán)穩(wěn)定性好的超級(jí)電容器電極材料為出發(fā)點(diǎn)，制備出一種新型的N-取代羧基改性聚苯胺（NPAN）共價(jià)接枝氨化石墨烯復(fù)合材料目標(biāo)，利用 NPAN對(duì)石墨烯的拖拽到來(lái)增強(qiáng)材料的相容性，此外，這種化學(xué)接枝有效的減少材

3、料界面電阻，促進(jìn)電荷的遷移進(jìn)而增強(qiáng)材料的循環(huán)穩(wěn)定性和比電容。具體而言，分別用對(duì)氨基二苯胺(ADPA)、苯胺以及N-苯基甘氨酸（NAN）對(duì)氧化石墨烯（GO）進(jìn)行功能化，然后水合肼還原處理，得到表面或者邊緣帶有活性仲胺基團(tuán)的氨化石墨烯，分別記為aRGO、bRGO以及nRGO，經(jīng)原位聚合得到NPAN化學(xué)接枝到氨化石墨烯表面的復(fù)合材料，分別命名為aRGO/NPAN、bRGO/NPAN和nRGO/NPAN。主要研究?jī)?nèi)容及相關(guān)結(jié)果如下：
　　

4、1.以 aRGO作為反應(yīng)活性末端，利用原位聚合法來(lái)制備不同含量的NPAN共價(jià)接枝aRGO復(fù)合材料（aRGO/NPAN），并對(duì)其導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性以及NPAN的摻雜率、接枝率進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，aRGO/NPAN復(fù)合材料中NPAN的摻雜率為26.82％，化學(xué)接枝形成的aRGO/NPAN復(fù)合材料的電導(dǎo)率要HC l-NPAN的高出三個(gè)數(shù)量級(jí)，比傳統(tǒng)非共價(jià)功能化方法得到的復(fù)合材料的電導(dǎo)率高五倍。TGA分析結(jié)果表明：這種aRGO/NPAN復(fù)合材料

5、的熱穩(wěn)定性要比HCl-NPAN的要高，經(jīng)計(jì)算NPAN的接枝率為54%。
　　2.采用FI-IR、UV-vis、Raman光譜、XPS、XRD、SEM、TEM以及CHI660C型電化學(xué)工作站對(duì)bRGO/NPAN復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌以及電化學(xué)性能進(jìn)行了表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：苯胺成功的接枝到GO的表面同時(shí)使得GO發(fā)生部分的還原；b RGO/N PAN復(fù)合材料具有層狀結(jié)構(gòu)，顯示出較高的比電容（662.25 F/g）、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（200次循

6、環(huán)后保持率為97%）。
　　3.以GO為原料，經(jīng)過(guò)對(duì)氨基苯甲酸重氮化、施密特重排反應(yīng)、酰胺化反應(yīng)以及水合肼的還原處理得到了表面連接NAN單體的氨化石墨烯（nRGO）。采用原位聚合法得到化學(xué)接枝的層狀nRGO/NPAN復(fù)合材料；利用 FTIR、UV-vis、Raman光譜、XPS、XRD、SEM、TEM、TGA和循環(huán)伏安法（CV）、交流阻抗（EIS）以及恒電流充放電技術(shù)（GCD）研究了 HC l摻雜 nRGO/NPAN復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

7、、形貌以及熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，最后提出了相關(guān)的聚合機(jī)理。TG A分析表明復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性受 N PAN的熱降解和nRGO與 NPAN之間化學(xué)鍵熱分解的雙重控制，較純 HC l摻雜 NPAN的明顯提高，進(jìn)一步計(jì)算出 NPAN的接枝率為24.8%。電化學(xué)測(cè)試表明復(fù)合材料的比電容(654.25 F/g)，要遠(yuǎn)高于單一組分，且這種材料的電化學(xué)穩(wěn)定性較好；nRGO/NPAN的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct為150Ω，小于nRGO(750Ω)和HCl-NP