新型碳基导电聚合物纳米复合材料的制备及其超电容性能研究

摘要

超级电容器具有功能密度高、循环寿命长以及充放电速度快等优点，其作为新一代的储能设备可以缓解化石能源的短缺问题，因而成为储能设备中研究与应用的焦点。在超级电容器中，电极材料是关键，其形貌结构、导电性能、比表面积等因素都会影响到超级电容器整体的性能。因此，研发高性能的电极材料是超级电容器研究的核心。在众多超级电容器的电极材料中，碳基纳米材料（包括石墨烯基材料和导电高分子材料）因具有优良的电化学特性、廉价易得、对环境无害等优点，被认为是超级电容器应用中最具潜力的电极材料。
　　本论文从单一导电高分子材料入手进行研究，并在此基础上将其与石墨烯复合，通过调节复合材料中各组分的连接方式，改善材料超电容性能。展开的具体工作及得到的结果如下：
　　（1）水热合成了三种不同尺寸的 Fe3O4多孔纳米球（Fe3O4-8h，Fe3O4-12h， Fe3O4-16h），并将其作为吡咯原位聚合的模板和引发剂源（Fe3+），合成了三种不同尺寸聚吡咯多孔纳米球（PPy-8h，PPy-12h，PPy-16h）。表征了材料的形貌结构，研究了聚吡咯多孔纳米球的超电容性能，并探讨了纳米球尺寸对其性能的影响。结果表明：PPy-8h，PPy-12h和PPy-16h完全继承了其对应Fe3O4多孔纳米球模板的结构，且其直径分别为180 nm，200 nm和230 nm。在两电极体系中，直径为200 nm的PPy-12h展示出最优异的电容性能。其中，在1 A g-1的电流密度下，其比电容为220 F g-1；此外，在1 A g-1的电流密度下充放电5000次，依然能保持初始电容的81％。
　　（2）采用高温煅烧将Fe3O4纳米颗粒负载于石墨烯表面及层间（r-GO-Fe3O4），并将其作为吡咯聚合的模板和引发剂源（Fe3+），采用上述原位替代聚合法在石墨烯表面均匀生长聚吡咯合成出石墨烯-聚吡咯复合材料（r-GO-PPy）。作为对比研究，同时也采用自由聚合的方法得到了石墨烯-聚吡咯复合材料（r-GO/PPy），并对比两种石墨烯-聚吡咯复合材料的形貌结构和超电容性能。结果表明：在r-GO-PPy中，聚吡咯颗粒均匀分布在石墨烯表面及层间，不但有效阻止了石墨烯的团聚，同时还为电子与离子的迁移提供了有效的通道；而对于r-GO/PPy，聚吡咯覆盖在石墨烯表面，使两种材料发生严重堆叠。在两电极体系中，r-GO-PPy展示出比r-GO/PPy更优异的电容性能。其中，在1 A g-1电流密度下其比电容为284 F g-1；此外，充放电5000次后，其比电容维持在初始电容的86.7%。
　　（3）通过重氮化反应合成了苯胺功能化氧化石墨烯（a-GO），在 a-GO表面聚合形成聚邻苯二胺（PoPD）层，利用 PoPD的水溶性，将物理吸附的 PoPD层洗掉，仅留下与苯胺基团链接的 PoPD，再将其还原得到仅以化学键连接的具有立体定向的聚邻苯二胺-石墨烯复合材料（r-GO-a-PoPD）。表征了材料的形貌结构，研究了材料的超电容性能。结果表明：在 r-GO-a-PoPD中，PoPD以单链状形式连接在石墨烯表面，有效阻止了石墨烯的团聚，展现出520 m2 g-1的比表面积。作为对称电容器电极材料，在1 A g-1的电流密度下，r-GO-a-PoPD表现出高达381 F g-1的比电容值；此外，充放电5000次后，其比电容仍保持初始电容的90%。其优异的电容性能得益于单链状 PoPD以稳定的化学键连接在石墨烯表面上，这种特殊的结构，可以最大可能地暴露石墨烯和 PoPD表面，从而实现双电层电容和赝电容之间的最大协同效应。

目录

声明

第1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基于碳材料所制备的复合材料作为超电容电极材料的研究进展

1.5 本课题的研究意义及主要研究内容

第2章 聚吡咯多孔纳米球的制备及其超电容性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 石墨烯/聚吡咯复合材料的制备及其超电容性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 在石墨烯上原位生长单链聚邻苯二胺用于高性能超级电容器

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢