过渡金属离子掺杂及MnO2复合聚苯胺的制备和性能研究

摘要

聚苯胺(PANI)具有良好的化学稳定性、导电性、高赝电容储能特性和独特的质子掺杂机制，且廉价、易制备，近年来已成为超级电容器电极材料的研究热点。用过渡金属离子化学或电化学掺杂改性制备聚苯胺纳米纤维，可有效提高聚苯胺的导电性继而较大程度改善其电容性能，且表现出较好的循环稳定性。本文通过合成过渡金属离子掺杂聚苯胺及制备过渡金属氧化物与聚苯胺复合物，对其结构和形貌进行了表征，对掺杂态聚苯胺的电化学性能和聚苯胺复合物的催化性能进行研究。主要研究内容如下:
　　(1)在0.2 mol·L-1苯胺和0.5 mol·L-1硫酸溶液中，以不同浓度的过渡金属离子（Mn2+，Zn2+，Cu2+）为掺杂剂，采用循环伏安法电化学合成了掺杂态聚苯胺薄膜，利用FI-IR、SEM、XRD等检测手段对其结构和形貌进行了表征。在0.5 mol·L-1 H2SO4电解液中，对合成的掺杂态聚苯胺薄膜电极进行了循环伏安、恒流充放电和交流阻抗的电化学性能测试。结果表明:过渡金属离子掺杂提高了聚苯胺的电聚合速率，不同过渡金属离子掺杂的聚苯胺都呈现出纳米棒状结构，导电率和比电容相对于未掺杂的聚苯胺薄膜电极均有不同程度的提高。
　　(2)采用了界面聚合法合成了Mn2+掺杂聚苯胺复合材料，利用FI-IR、SEM、XRD等手段对其结构和形貌进行了表征。在0.5 mol·L-1 H2SO4电解液中，对合成的掺杂态聚苯胺复合电极材料进行了循环伏安、恒流充放电和交流阻抗的电化学性能测试。结果表明:锰离子对聚苯胺的形貌有较大影响，锰离子掺杂聚苯胺呈现出短而粗的纳米棒结构。当电流密度为5 mA·cm-2时，PANI/0.4M Mn2+复合材料的比电容达406 F·g-1，相对无Mn2+掺杂的PANI提高了25％，并且表现出较小的电化学反应阻抗。Mn2+掺杂有利于充放电过程中电荷的传递，改善了PANI的电化学特性。
　　(3)以纳米MnO2为氧化剂，采用吸附聚合法制备了MnO2/PANI复合材料，利用FI-IR、SEM、XRD等手段对其结构和形貌进行了表征。考察了复合物材料对不同类型的有机染料的光催化性能，分析了其对不同结构染料的催化效果。结果表明:PANI均匀包覆在MnO2纳米棒表面，复合材料较之纯聚苯胺和MnO2对阳离子染料具有较高的光催化活性。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 聚苯胺

1．2．1 聚苯胺的研究进展

1．2．2 聚苯胺的结构与性质

1．2．3 聚苯胺的导电机理

1．2．4 聚苯胺的合成方法

1．2．5 聚苯胺的掺杂改性方法

1．2．6 聚苯胺复合物的制备方法

1．2．7 聚苯胺的应用

1．3 本课题的研究意义和主要内容

第2章 锰离子掺杂聚苯胺的电化学制备及电容特性研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验试剂与仪器

2．1．2 聚苯胺和锰离子掺杂聚苯胺的电化学聚合

2．1．3 材料的表征

2．1．4 材料的电化学性能测试

2．2 结果与讨论

2．2．1 材料的表征

2．2．2 电极材料的电化学性能测试

2．3 本章小结

第3章 其它过渡金属离子电化学掺杂聚苯胺制备及电容特性研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验试剂与仪器

3．1．2 PANI／Zn2+薄膜、PANI／Cu2+薄膜的电化学聚合

3．1．3 材料的表征

3．1．4 PANI／Zn2+、PANI／Cu2+薄膜电极材料的电化学超电容性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 材料的表征

3．2．2 电极材料的电化学性能测试

3．3 本章小结

第4章 Mn2+化学掺杂聚苯胺的制备及其电容特性研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验试剂与仪器

4．1．2 聚苯胺及Mn2+掺杂聚苯胺的制备

4．1．3 样品的性能及表征

4．1．4 电化学性能测试

4．2 结果与讨论

4．2．1 材料的表征

4．2．2 电极材料的电化学性能测试

4．3 本章小结

第5章 MnO2／PANI的制备及光催化性能研究

5．1 实验部分

5．1．1 实验试剂与仪器

5．1．2 MnO2、聚苯胺及MnO2／PANI复合材料的制备

5．1．3 材料的表征

5．1．4 材料的光催化性能测试

5．2 结果与讨论

5．2．1 材料的表征

5．2．2 光催化性能测试

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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