發(fā)布時間：2017-08-17 09:32

  本文關鍵詞：聚吡咯及其復合材料的制備與電容性能研究

  更多相關文章： 聚吡咯 活性炭 石墨烯 氧化劑 摻雜劑 電容性能

【摘要】：由于當今社會能源問題日趨嚴重,作為大容量新型儲能裝置的超級電容器受到了各界人士的廣泛關注和重視,而電極材料對超級電容器性能有很大影響,因此加強超級電容器電極材料研究,對于發(fā)展高性能超級電容器意義重大。導電聚合物是一類重要的電極材料,其中,聚吡咯(PPy)由于合成方便、抗氧化性好、電導率較高、環(huán)境穩(wěn)定性好等優(yōu)點,在超級電容器電極材料領域有著重要的地位。本文首先通過化學氧化法,以FeCl3為氧化劑,在乙腈和水的混合溶劑中,通過改變FeCl3用量制備了系列PPy產(chǎn)物,分別記為N1,H1和M1,在H1基礎上改變乙腈和水的體積比(簡稱腈水比,VRAW)制備了HO, H2, H3, H4, H5和H6產(chǎn)物,并系統(tǒng)地研究了FeCl3用量及腈水比對PPy形貌、結構及電容性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),不同氧化劑用量下合成的PPy產(chǎn)物中,H1產(chǎn)物的顆粒粒徑明顯小于N1和M1產(chǎn)物。電化學測試結果表明,PPy產(chǎn)物比電容隨氧化劑用量增大而先上升后下降,H1產(chǎn)物具有最大的比電容143.82 F·g-1和相對更好的循環(huán)穩(wěn)定性。改變腈水比得到的系列產(chǎn)物中,產(chǎn)物形貌呈現(xiàn)了從顆粒到薄膜的轉變：從H0到H3,產(chǎn)物粒徑逐漸減小,H3產(chǎn)物具有最小的粒徑；從H4到H6,產(chǎn)物形貌逐漸向薄膜狀轉變。電化學測試結果表明,具有顆粒狀形貌的H0到H3產(chǎn)物的比電容普遍高于薄膜狀形貌的H4到H6產(chǎn)物,這是因為顆粒形貌比薄膜形貌具有更大的比表面積,更利于離子的摻雜／脫摻雜,因此電容性能更好。H3產(chǎn)物具有最大比電容154.61 F·g-1和庫倫效率59.94%,同時具有相對較好的循環(huán)穩(wěn)定性,具有更快速的離子交換行為,表現(xiàn)為最優(yōu)的電容性能。在H3產(chǎn)物合成條件基礎上,以甲基橙(MO)、對甲苯磺酸鈉(TSA)及氨基磺酸(SA)分別作為摻雜劑,合成了MO-1、TSA-1及SA-1產(chǎn)物,并在SA-1基礎上制備了不同摻雜劑用量的SA-2～SA-6產(chǎn)物,研究了摻雜劑種類和用量對其電容性能的影響。使用不同摻雜劑所合成的PPy產(chǎn)物中,MO-1產(chǎn)物具有四棱柱狀形貌,TSA-1和SA-1產(chǎn)物都具有顆粒狀形貌,SA-1產(chǎn)物的粒徑較TSA-1更小,顆粒堆積更松散。電化學測試結果表明,MO-1、TSA-1及SA-1產(chǎn)物的放電比電容依次增大,SA-1達到149.33 F·g-1,同時具有相對更好的循環(huán)伏安特性,其離子擴散機理更接近于理想電容器,表現(xiàn)出快速的離子交換行為。因此,使用SA作為摻雜劑得到的PPy產(chǎn)物具有更好的電容性能。改變摻雜劑用量得到的SA-1到SA-6產(chǎn)物均為顆粒狀形貌,顆粒粒徑先減小后增大,且SA-1到SA-4產(chǎn)物顆粒堆積逐漸松散,SA-4產(chǎn)物結構最蓬松,SA-5及SA-6產(chǎn)物顆粒堆積逐漸密實；PPy的產(chǎn)量隨摻雜劑用量升高而增大,至SA-4后產(chǎn)量增高不明顯,這是因為SA-4產(chǎn)物的摻雜程度已接近飽和。電化學測試結果表明,摻雜PPy的放電比電容隨SA用量增加而先升高后降低,在SA-4時得到最大比電容203.32 F·g-1和最高的庫倫效率70.67%,同時具有較好的循環(huán)伏安特性,并且EIS譜低頻區(qū)上表現(xiàn)出較高的斜率,即具有快速的離子交換行為。最后本文在吡咯(Py)與活性炭(AC)質量比分別為0.5：1、1：1及5：1的條件下制備了PA1、PA2及PA3產(chǎn)物,并在PA3基礎上添加石墨烯(GE)組分,得到PAG復合材料。深入研究了其形貌、結構及電容性能。研究發(fā)現(xiàn)單純AC材料呈現(xiàn)為細小顆粒狀形貌,PA1及PA2產(chǎn)物以細小AC顆粒為主,逐漸出現(xiàn)少量PPy大顆粒附著在成塊狀堆積的AC小顆粒表面；PA3產(chǎn)物形貌則以大顆粒狀PPy產(chǎn)物為主；PAG產(chǎn)物的SEM圖上出現(xiàn)大量的片層狀GE,AC顆粒分散于石墨烯層間結構,而PPy顆粒附著在石墨烯片表面原位生長。FT-IR說明活性炭加入產(chǎn)生的空間位阻影響了PPy的共軛結構,引起了吸收峰向高波數(shù)的移動。由循環(huán)伏安曲線(CV)可知,PA1、PA2產(chǎn)物與AC的CV曲線形狀相似,PPy對AC的電容性能改善不明顯,PA3的CV曲線包覆面積增大,但略偏離了矩形。而PAG產(chǎn)物在有較大CV曲線包覆面積的基礎上,具有良好的矩形特性。由充放電曲線可知,PA1及PA2產(chǎn)物的比電容較AC略有提高,PA3產(chǎn)物的比電容提高較大,達到135.5 F·g-1,而PAG的比電容可達155.02 F-g-1。在10 mA·cm-2的電流密度下,PPy、PA3及PAG產(chǎn)物在300次充放電循環(huán)后比電容保持率分別為23.40%、55.31%及77.79%。由此可知PAG復合材料不僅改善了PPy材料的循環(huán)穩(wěn)定性,而且比電容較純AC材料有顯著提高。
【關鍵詞】：聚吡咯 活性炭 石墨烯 氧化劑 摻雜劑 電容性能
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ317;TM53
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-29
• 1.1 引言14-15
• 1.2 超級電容器研究概述15-21
• 1.2.1 超級電容器簡介及在國民經(jīng)濟領域中的應用15-16
• 1.2.2 超級電容器的結構與工作原理16-19
• 1.2.3 超級電容器電極材料19-21
• 1.3 導電聚吡咯的研究現(xiàn)狀及在超級電容器領域的應用21-27
• 1.3.1 導電聚吡咯的制備方法22-24
• 1.3.2 導電聚吡咯電化學性能影響因素的研究進展24-26
• 1.3.3 導電聚吡咯及其復合材料在超級電容器領域的應用26-27
• 1.4 課題研究的意義及內容27-29
• 1.4.1 課題研究的意義27-28
• 1.4.2 課題研究的內容28-29
• 第2章 合成工藝對聚吡咯電容性能的影響研究29-44
• 2.1 前言29
• 2.2 實驗部分29-32
• 2.2.1 實驗原料29-30
• 2.2.2 實驗設備30
• 2.2.3 PPy的制備30-31
• 2.2.4 工作電極的制作31
• 2.2.5 產(chǎn)物形貌結構及性能的表征31-32
• 2.3 結果與討論32-43
• 2.3.1 氧化劑對聚吡咯形貌和結構的影響32-34
• 2.3.2 氧化劑對聚吡咯電容性能影響34-38
• 2.3.3 溶劑配比對聚吡咯形貌的影響38-39
• 2.3.4 溶劑配比對聚吡咯電容性能影響39-43
• 2.4 本章小結43-44
• 第3章 摻雜劑對聚吡咯電容性能的影響研究44-59
• 3.1 前言44
• 3.2 實驗部分44-47
• 3.2.1 實驗原料44-45
• 3.2.2 實驗設備45-46
• 3.2.3 摻雜PPy的制備46
• 3.2.4 工作電極的制作46
• 3.2.5 產(chǎn)物形貌結構及性能的表征46-47
• 3.3 結果與討論47-58
• 3.3.1 摻雜劑種類對聚吡咯形貌和結構的影響47-49
• 3.3.2 摻雜劑種類對聚吡咯電容性能影響49-52
• 3.3.3 摻雜劑用量對聚吡咯形貌的影響52-54
• 3.3.4 摻雜劑用量對聚吡咯電容性能影響54-58
• 3.4 本章小結58-59
• 第4章 聚吡咯復合材料的制備及電容性能59-68
• 4.1 前言59
• 4.2 實驗部分59-62
• 4.2.1 實驗原料59-60
• 4.2.2 實驗設備60
• 4.2.3 PPy復合材料的制備60-61
• 4.2.4 工作電極的制作61
• 4.2.5 產(chǎn)物形貌結構及性能的表征61-62
• 4.3 結果與討論62-67
• 4.3.1 聚吡咯復合材料的微觀形貌研究62-63
• 4.3.2 聚吡咯復合材料的紅外光譜分析63-64
• 4.3.3 聚吡咯復合材料的循環(huán)伏安行為研究64-65
• 4.3.4 聚吡咯復合材料的恒電流充放電性能研究65-66
• 4.3.5 聚吡咯復合材料的交流阻抗譜研究66-67
• 4.4 本章小結67-68
• 結論68-70
• 致謝70-71
• 參考文獻71-80
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文80

【參考文獻】

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本文編號：688285