导电聚合物复合材料的合成及其在超级电容器电极材料中的应用研究

摘要

超级电容器是一种新型储能装置，它集合了物理电容器高功率及传统电池高能量密度的优点，已成为新型化学电源家族中的重要成员。现阶段有关超级电容器的研究多集中于电极材料，主要包括双电层型碳基材料和赝电容型材料(过渡金属氧化物和导电聚合物)。其中，导电聚合物因具有独特的结构和优异的物理化学性能而受到广泛关注，但其致命弱点是循环性能差。为此，常常将其与双电层型碳基材料进行复合作超级电容器电极材料，以扬长避短，发挥不同材料之间的正协同作用。在此，我们制备了基于导电聚合物的复合电极材料，并就相关材料的电化学性能以及材料成分、结构和形貌等特性进行了详细研究。主要内容如下：
　　1.通过原位聚合方法制备不同配比的聚吡咯/氧化石墨(PPy/GO)复合物，再经NaBH4还原得到聚吡咯/还原氧化石墨烯(PPy/RGO)复合物，采用X射线衍射、红外光谱和场发射扫描电子显微镜(FESEM)对其结构和形貌进行物理表征。采用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗等电化学方法系统研究了所制备样品的电化学性能。实验结果表明，在电流密度为0.5A/g、吡咯(Py)与GO质量比为95︰5时，还原前后得到的复合物比电容分别可达401.5F/g和314.5F/g，远高于单纯的GO(34.8F/g)和PPy(267.5F/g)。经过1200圈循环稳定性测试后，PPy/RGO复合物比电容保持率为62.5％，与PPy和PPy/GO(电容保持率分别为16.8%和46.4%)相比，PPy/RGO表现出更好的循环稳定性能，有望成为超级电容器电极材料。
　　2.首先采用两步法制备出均匀分散的SnO2/还原氧化石墨烯(SnO2/RGO)二元复合物，然后再以二元复合物为载体，通过化学氧化法聚合吡咯(Py)单体，制备出SnO2/还原氧化石墨烯/聚吡咯(SnO2/RGO/PPy)三元复合材料。利用红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对复合材料结构和形貌进行物理性能表征，利用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗对复合材料进行电化学性能研究，并讨论了不同含量的PPy对复合材料的结构和性能的影响。结果表明，所合成的三元复合材料的比电容随PPy含量的增加而增大，最大达到305.3F/g。三元复合物电容性能增强源于SnO2、RGO与PPy三者之间的协同作用，以及材料的层状结构和较大的比表面积。
　　3.采用两步法成功构筑SnO2/还原氧化石墨烯/聚苯胺(SnO2/RGO/PANI)三元复合材料。首先制备出均匀分散的SnO2/还原氧化石墨烯(SnO2/RGO)二元复合物，然后再以二元复合物为载体，通过化学氧化法聚合苯胺(An)单体获得终端产物。利用傅立叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对复合材料结构和形貌进行物理性能表征，利用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗对复合材料电化学电容性能进行研究，并讨论了不同含量的PANI对复合材料的结构和性能的影响。结果表明，所合成的三元复合材料的比电容随PANI含量的增加而增大，最大达到424.8F/g，其电容性能增强源于SnO2、RGO与PANI三者的相互协同作用。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.3 超级电容器电极材料

1.4 石墨烯概述

1.5 导电聚合物复合电极材料

1.6 PPy和PANI作为超级电容器电极材料的反应机理

1.7 SnO2和ZnO作为超级电容器电极材料的反应机理

1.8 论文选题思路及主要研究内容

参考文献

第二章 聚吡咯/还原氧化石墨烯复合物的合成及电容性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 SnO2/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合物的合成及其电化学电容性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 SnO2/还原氧化石墨烯/聚苯胺三元复合物的合成及电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

结论与展望

结论

展望

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