【摘要】：電化學(xué)電容器以其獨(dú)特的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì),得到了大量學(xué)者的廣泛研究,探索性能更優(yōu)、應(yīng)用更廣的實(shí)用性電極材料是研究電化學(xué)電容器的關(guān)鍵所在。在眾多已研究的材料中,導(dǎo)電聚合物的性能尤其突出(例如高電容、電化學(xué)可逆性等),其中聚苯胺(PANI)的電容性能格外出眾。然而,PANI在兼具各種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也因循環(huán)壽命低、倍率性能欠佳而在應(yīng)用方面受到了致命性的阻礙。將化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且導(dǎo)電性能優(yōu)異的材料與PANI進(jìn)行復(fù)合是克服該障礙的絕佳途徑,炭材料因具有以上優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地采用。本論文通過(guò)不同的合成方法,成功制備了三種微觀形貌迥異的PANI,與此同時(shí)將其作為電極材料評(píng)價(jià)了它們的電容器性能。接著,通過(guò)引入多壁碳納米管(MWCNT)和還原氧化石墨烯(RGO)來(lái)提升純PANI的電容和循環(huán)穩(wěn)定性,電容性能測(cè)試結(jié)果顯示,該途徑可靠、有效。本論文分為四章,從理論和實(shí)驗(yàn)的角度闡述并證實(shí)了炭復(fù)合聚苯胺作為電極材料的性能優(yōu)勢(shì)。第一章:概述了電化學(xué)電容器的組成及工作原理;闡述了PANI的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電原理、摻雜機(jī)理和合成方法;簡(jiǎn)介了目前國(guó)內(nèi)外PANI及其復(fù)合物在電化學(xué)電容器方面的研究及應(yīng)用。第二章:以丁二酸二異辛酯磺酸鈉為表面活性劑、樟腦磺酸為摻雜酸、過(guò)硫酸銨為氧化劑,通過(guò)微乳聚合法合成了PANI。形貌分析顯示,該P(yáng)ANI為長(zhǎng)纖維通過(guò)交聯(lián)形式構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。采用循環(huán)伏安、恒流充放電和交流阻抗技術(shù)對(duì)其電容性能進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果顯示,在電流密度為0.5 A/g的測(cè)試條件下,其比電容為498.7 F/g;當(dāng)電流密度增至2.0 A/g,比電容降至362.4 F/g,電容保持率為72.7%;在電流密度為5.0 A/g的條件下,經(jīng)過(guò)1000圈充放電后,電容保持率為65.1%。為了提升交聯(lián)網(wǎng)狀PANI(cPANI)的電容性能,我們引入導(dǎo)電性能優(yōu)異、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的MWCNT,通過(guò)原位聚合法,獲得了交聯(lián)網(wǎng)狀聚苯胺@多壁碳納米管復(fù)合物(cPANI@MWCNT)。復(fù)合物的微觀形貌分析顯示,它是MWCNT被PANI交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包覆的核殼結(jié)構(gòu)。采用同樣的測(cè)試條件,對(duì)復(fù)合物的電容性能進(jìn)行了研究。在0.5 A/g的電流密度下,復(fù)合物的比電容為639.7 F/g,高出cPANI 28.4%,在2.0 A/g的電流密度下,其比電容為521.8 F/g,倍率為81.6%。1000圈的循環(huán)壽命為77.2%。復(fù)合物較cPANI不僅電容值有所提高,而且倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性也有明顯提升,說(shuō)明MWCNT的引入有效地促進(jìn)了材料的電容性能。第三章:以樟腦磺酸為摻雜酸、過(guò)硫酸銨為氧化劑,通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)氧化聚合法制得了顆粒狀PANI,通過(guò)原位聚合法合成了顆粒狀PANI/MWCNT復(fù)合物。在電流密度為0.5 A/g時(shí),顆粒狀PANI的比電容為451.9 F/g,在電流密度為2.0A/g時(shí),比電容為274.6 F/g,電容保持率為60.8%。經(jīng)過(guò)1000次恒流充放電后,顆粒狀PANI的電容保持率僅為57.9%。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn),顆粒狀PANI的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性不盡人意。為了改善這種情況,將MWCNT引入,制得顆粒狀PANI/MWCNT復(fù)合物。在電流密度為0.5 A/g時(shí),復(fù)合物的比電容為629.0 F/g,電流密度增至2.0 A/g時(shí),比電容為494.0 F/g(倍率為78.5%)。1000圈的循環(huán)壽命為74.4%,高出純PANI 28.5%。電容性能測(cè)試結(jié)果顯示,復(fù)合物的電容性能明顯優(yōu)于純PANI。第四章:以十二烷基硫酸鈉為表面活性劑、鹽酸為摻雜酸、過(guò)硫酸銨為氧化劑,通過(guò)微乳聚合法,制備出形貌極為特殊的管狀PANI,其管是由短纖維呈陣列狀緊密排列在其表面所構(gòu)成的。在電流密度為0.5 A/g時(shí),其比電容達(dá)到457.3F/g,電流密度為2.0 A/g時(shí),比電容為212.4 F/g(倍率為46.5%),表明管狀PANI的倍率特性不佳。在5.0 A/g的電流密度下經(jīng)歷充放電1000圈后,其電容保持率為63.6%。為了改善純PANI的倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性,我們將單層RGO引入PANI體系中,通過(guò)原位聚合法,制得了RGO含量分別為10.7%、22.7%和52.6%的PANI/RGO復(fù)合物。形貌分析表明,復(fù)合后PANI呈纖維狀分布在RGO表面。電化學(xué)測(cè)試顯示,在0.5 A/g電流密度下,三種復(fù)合物的比電容分別為655.5、684.2和570.5 F/g。隨著RGO含量的增加復(fù)合物的倍率(66.1、74.3和78.7%)和循環(huán)穩(wěn)定性(75.8、81.8和84.7%)都逐漸升高。
【學(xué)位授予單位】：新疆大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB33;TM53

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本文編號(hào)：2553852