超级电容器用聚吡咯/石墨烯复合储能材料研究

摘要

导电聚合物、石墨烯材料作为超级电容器电极材料有较好的应用前景，但是导电聚吡咯（PPy）电极材料在反复充放电过程中容易发生主链结构的断裂、孔结构的坍塌，导致电极材料的容量下降和循环寿命衰减。本文采用不同方法制备了PPy/GHs（Graphene hydrogel，石墨烯水凝胶）复合材料，发现GH的加入可显著减缓PPy降解。特别是高温碳化PPy或PPy/GH所形成的三维多孔碳材料，极大地增加了复合材料的比表面积、比电容和循环寿命。
　　本文首先通过化学氧化法制备了不同形貌（颗粒状、中空状、片层状）的PPy。电化学测试表明：颗粒状PPy的比电容最大，在扫速为10 mV/s时，其比电容可达228.29 F/g，但随着扫速增加，其比电容衰减较快，这是因为PPy在充放电过程中，其主链会发生膨胀/收缩，导致孔结构坍塌，比表面积和比电容下降。循环寿命测试发现：片层结构的PPy容量稳定性最高，在2 A/g的电流密度下，循环充放电1500次，其容量保持率达到80％。
　　考虑到酸性或碱性条件电化学聚合的PPy孔结构差距很大，本文还分别在不同pH值下进行吡咯的聚合，并测试了酸性聚合和酸碱交替聚合PPy的电化学性能，结果显示，酸碱交替聚合PPy不仅具有优良的导电性，还呈现出规整的孔结构特征，有利于电解液离子在孔道中传输，使电荷传递电阻减小，比容量增加。
　　本文还利用水热法和静态化学氧化法制备了不同质量比的PPy/GHs复合电极材料。PPy/GH15复合材料的CV曲线呈矩形，具有对称的电流-电位特性，证明该复合材料有良好的导电性及电化学可逆性。与PPy、GH等一元材料相比，PPy/GH15复合材料具有更大的比容量、更高的功率密度和更长的循环寿命，微观形貌观测表明：PPy/GH15复合材料中的GH片层结构不仅延缓了PPy降解，提高了孔隙结构的刚度，也有效提升了电极材料的储电性能。
　　最后，本文还将PPy或PPy/GH复合物与KOH混合，然后于高温(700℃)和N2保护下碳化，制备了三维多孔碳材料。BET测试表明：两种碳化材料的比表面积均显著增加，分别达到1782.1、2061.0 m2/g。电流密度为2 A/g时，PPy/GH碳化孔材料的比电容可达530.32 F/g，电流密度为20 A/g下循环5000次，比电容衰减仅为8.4％。表明PPy/GH碳化三维多孔材料符合高性能超级电容器电极材料的要求，为超级电容器电极材料的大批量、绿色生产提供了一种全新方式。

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1 绪论

1.1引言

1.2 超级电容器概述

1.3石墨烯及氧化石墨烯

1.4导电聚合物聚吡咯(PPy)

1.5课题主要内容及意义

2 实验部分

2.1 实验主要仪器及试剂

2.2 电极材料的主要辅助材料

2.3 电极材料的表征手段

2.4 电极材料的组成及制备方法

2.5 电极材料的电化学测试

2.6 实验步骤及方法

3 实验结果与讨论

3.1 聚吡咯电化学性能的对比

3.2 酸碱交替聚合聚吡咯电化学性能

3.3 PPy/GHs复合物的性能测试

3.4三维多孔碳材料的性能研究

4 结论与展望

4.1 全文总结

4.2 课题展望

致谢

参考文献

附录攻读硕士研究生期间发表的论文