以碳纤维布为基底聚苯胺复合材料用于超级电容器的性能研究

摘要

超级电容器作为储能元件，随着对其日益广泛的研究，其应用领域也越来越丰富，包括在信息、通讯、航天、和国防等领域。尤其是在混合动力车中，经常作为起车，爬坡时的大功率输出储能设备。这就要求超级电容器具有较大的功率，较长的循环寿命，温度使用广泛，使用安全等诸多优点。目前对超级电容器电极材料研究主要集中在碳材料，金属氧化物，以及导电聚合物等。本文以导电聚合物聚苯胺为电极材料，并对其复合材料展开了一系列的电容器电化学性能的研究。聚苯胺是一种导电聚合物，同时具备金属或者半导体的导电性和高分子的柔韧性，易于加工等诸多优点，使得聚苯胺在诸多领域都具有广泛的研究，如在二次电池、电致变色器、电磁屏蔽、军事伪装、防腐涂料、抗静电材料等方面的应用。
　　本文采用氧化聚合的方法，在碳纤维布表面生长了导电聚苯胺，形成了一种聚苯胺与碳纤维布复合材料(PANI@CFC)并以此为基底，在聚苯胺表面电沉积一层二氧化锰，形成二氧化锰/聚苯胺@碳纤维布复合材料(MnO2/PANI@CFC)。此外，在聚苯胺氧化聚合过程中，在溶液中添加氧化石墨，采用氧化原位聚合反应，在碳纤维布表现生长了聚苯胺与氧化石墨复合材料，形成了一种聚苯胺/氧化石墨@碳纤维布复合材料(PANI/GO@CFC)。通过SEM、TEM、XRD、FTIR、EDS、TG等表征手段对以上材料进行了结构表征，并对其进行了循环伏安，交流阻抗，恒流充放电等电化学分析。
　　PANI@CFC材料中，表面的聚苯胺材料具有珊瑚状结构，并且珊瑚状结构交错相连形成了三维多孔结构，具有较大的比表面积。电化学性能测试表明，PANI@CFC具有很好的循环性能，在1 mA·cm-2的电流密度下比电容为730F·g-1。
　　PANI/GO@CFC复合材料中聚苯胺在聚合过程中进入氧化石墨层间，并且与氧化石墨表面的含氧基团发生反应，包覆在片层氧化石墨周围，并且连接了氧化石墨与碳纤维布。通过电化学性能测试，PANI/GO@CFC具有较高的比电容(614 F·g-1)以及较好的循环性能(800次循环比电容存余86.88％)。
　　采用电沉积技术，在PANI@CFC中聚苯胺表面电沉积二氧化锰。结构分析得出结论，在聚苯胺表面成功的沉积了一层纳米片阵列二氧化锰，并且具有很好的电化学性能，初始比容量能达到496 F·g-1。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.3 聚苯胺概述

1.4 聚苯胺的应用

1.5 本文主要内容与工作

第二章 试验部分

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3 测试仪器

2.4 试验方法

2.5 本章小结

第三章 以碳纤维布为基底的聚苯胺电极材料研究

3.1 引言

3.2电极的制备与电化学测试

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 以碳纤维布为基底的聚苯胺与氧化石墨复合电极材料的研究

4.1 引言

4.2 电极的制备与电化学测试

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 以碳纤维布为基底的聚苯胺与二氧化锰复合电极材料的研究

5.1 引言

5.2 电解液的选择与电化学测试

5.3 实验结果与讨论

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢