有机功能化修饰的碳纳米复合材料的制备及其电化学性能的研究

摘要

碳纳米材料中的纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯等新型材料具有许多优异的物理和化学特性,被广泛应用于诸多领域。然而未经修饰的碳纳米管或石墨烯表面的官能团少,在溶剂中的分散效果差,极大地限制了纳米碳材料在许多领域的应用。因此为了扩大纳米碳材料的应用价值,许多研究者致力于对纳米碳材料的功能化修饰,经过功能化修饰之后的纳米碳材料不仅能够展现自身所具有的物理化学性能上的优势,而且在功能化之后还会提高纳米碳材料的电化学性能,扩大了其应用空间。纳米碳材料的功能化可分为共价功能化和非共价功能化。尽管非共价功能化具有一定的优势,例如可以保持纳米碳材料本身的完整结构不被破坏,进而保证其特殊的物理性能。然而功能化基团与纳米碳材料之间通常为范德华力存在,其作用力较弱。而共价功能化可明显提高功能化基团与碳载体的稳定性与作用力,具有非共价功能化难以超越的优势。许多研究表明,碳纳米复合材料的制备都需要首先对其进行共价功能化,进而通过其它化学反应进一步修饰,以提高修饰物与碳载体的作用力与导电性。因此,共价功能化在提高碳纳米复合材料的电化学性能上具有巨大潜力。本论文首先将纳米碳材料有机功能化,然后与导电聚合物 PANI接枝等一系列反应合成复合材料,并进一步研究其电化学性能。具体研究内容如下:
　　(1)将碳纳米管通过酸化氧化、酰氯化以及氨基化反应,合成CNTs-NH2。然后通过低温下原位聚合的方法合成PANI-g-CNTs复合材料。碳纳米管上氨基的引入不仅可以增加碳纳米管本身的分散性,而且在PANI的成长过程中可以作为成长位点形成PANI均匀接枝到碳纳米管上的核壳结构。所制得的复合材料通过电化学测试结果表明:在0.1A/g的电流密度下,其比容量可达到251.2F/g。在0.5A/g电流密度下,该复合材料经过1000次充放电测试后,比容量保持率为76.3％,明显高于PANI-c-CNTs的57.4%。
　　(2)通过恒温体系下的界面聚合方法将PANI共价接枝到氨基化碳纳米管表面。氨基化碳纳米管分散在水中作为上层水相,苯胺单体分散在CH2Cl2中形成下层有机相,所得到的复合材料中 PANI能够非常均匀的包覆在碳纳米管的表面。然后以此复合材料为载体,以甲酸为还原剂将Pt纳米粒子还原负载到碳纳米管表面,记为Pt/PANI-g-CNTs。所得到的催化剂对甲醇具有非常好的催化活性。在2000圈的加速老化实验中,Pt/PANI-g-CNTs的稳定性要明显优于Pt/PANI-c-CNTs以及商业Pt/C(JM-40wt.%)。
　　(3)采用传统的Hummers法制备了氧化石墨烯,然后用对苯二胺作为分散剂和还原剂与GO反应,可制备得到rGO-NH2。之后以此氨基化的石墨烯为基体在低温体系下原位接枝PANI。PANI的生长也是以氨基为成长位点,得到PANI-g-rGO复合材料。所得到的复合材料在0.1A/g条件下,其比容量可达315.8F/g。在1000圈的充放电测试中其容量保持率达到67%,明显高于PANI-c-rGO的34.5%。

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图表清单

1.1 纳米碳材料简介

1.1.1 碳纳米管概述

1.1.2 石墨烯概述

1.2 纳米碳材料的功能化

1.2.1 碳纳米管的功能化

1.2.2 石墨烯的功能化

1.3 本课题的研究思路和主要内容

第二章 聚苯胺共价接枝碳纳米管复合材料的制备及其电化学行为的研究

2.1 氨基化碳纳米管的制备与表征

2.1.1 引言

2.1.2 实验部分

2.1.3 结果与讨论

2.1.4 小结

2.2 聚苯胺共价接枝碳纳米管复合材料(PANI-g-CNTs)的制备与表征

2.2.1 引言

2.2.2 实验部分

2.2.3 结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 聚苯胺共价接枝碳纳米管负载Pt催化剂的制备及对甲醇电催化性能的研究

3.1 聚苯胺共价接枝碳纳米管复合材料的制备与表征

3.1.1 引言

3.1.2 实验部分

3.1.3 本节小结

3.2 复合材料载Pt催化剂的制备与表征

3.2.1 引言

3.2.2 实验部分

3.2.3 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 聚苯胺共价接枝石墨烯复合材料的制备及电化学行为的研究

4.1 氨基化石墨烯共价接枝PANI复合材料的制备及其电化学性能

4.1.1 引言

4.1.2 实验部分

4.1.3 rGO-NH2的物性表征

4.1.4 小结

4.2 聚苯胺共价接枝石墨烯（PANI-g-rGO）复合材料的制备和表征

4.2.1 引言

4.2.2 实验部分

4.2.3 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文