金属氧化物/聚苯胺/碳材料三元复合材料的构建及其在超级电容器中的应用

摘要

超级电容器(Supercapacitor)是一种新型的储能装置，与传统的电容器相比，它具有高能量密度、高功率密度和循环寿命长等特点;与锂离子二次电池相比，它具有更高的能量密度和功率密度。在电子通讯、电动汽车以及航空航天等国防科技等领域具有广泛的应用。超级电容器常用的电极材料主要有:碳基材料、金属氧化物和导电聚合物。本文采用两步法合成金属氧化物/聚苯胺/碳基三元复合材料，并通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、紫外-可见光谱(UV-vis)和拉曼光谱(Raman)等检测手段对其进行结构表征，采用循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)和交流阻抗(EIS)等电化学检测手段，进一步研究了三种电极材料的电容特性，主要内容如下:
　　(1)采用两步法制备出一种三元同轴二氧化锰/聚苯胺/多壁碳纳米管(MnO2/PANI/MWCNT)纳米纤维。首先，在多壁碳纳米管(MWCNT)表面原位氧化聚合负载聚苯胺，得到PANI/MWCNT复合材料;其次，在室温下，将KMnO4溶液与PANI/MWCNT混合反应，得到三元同轴MnO2/PANI/MWCNT纳米纤维。通过循环伏安(CV)、恒电流充放电测试以及交流阻抗(EIS)等测试方法，探究三元同轴MnO2/PANI/MWCNT纳米材料的电化学性能。结果表明，该活性材料具有出法拉第赝电容的特性。对比MWCNT，PANI纳米线、PANI/MWCNT以及MnO2/PANI/MWCNT复合纳米纤维的电化学性能，可知三元同轴MnO2/PANI/MWCNT纳米纤维具有最大的比电容，当电流密度为1A·g-1时，其比电容为348.5F·g-1，恒电流充放电2000次之后，其容量仍保持在起始容量的88.2％。电化学性能测试结果表明，在MWCNT表面负载PANI层和MnO2薄层，MnO2薄层在PANI表面原位生长，不仅能有效地保护PANI层的结构，而且能够增大的材料的比容量，延长复合材料的循环寿命。因此，本文制备的三元同轴纳米结构的MnO2/PANI/MWCNT纳米纤维是一种优异的超级电容器电极材料，有利于开发新型的轻便的储能设备。
　　(2)采用两步法制备出一种三明治层状MnO2/PANI/RGO纳米片。首先，采用原位聚合的方法将聚苯胺负载在还原石墨烯(RGO)表面，得到PANI/RGO复合纳米片，在室温下，将KMnO4溶液与PANI/RGO混合反应，可得到三明治层状MnO2/PANI/RGO纳米片。对比各电极材料(RGO、PANI、PANI/RGO和MnO2/PANI/RGO)的比电容，可以发现三明治层状MnO2/PANI/RGO纳米片的比电容最大。当电流密度为0.5A·g-1时，MnO2/PANI/RGO的比电容可达到1090.2F·g-1。当电流密度为1A·g-1时，恒电流充放电2000次之后，其容量仍保持在起始容量的86.1％。作为超级电容器的电极材料，三明治层状MnO2/PANI/RGO纳米片的比电容较大，循环寿命持久。
　　(3)采用两步法制备出三元复合材料Fe2O3/PANI/RGO纳米片。首先，在还原石墨烯(RGO)表面进行原位氧化聚合负载聚苯胺，得到PANI/RGO混合纳米片，然后，在常温下，以K2FeO4为铁源，将K2FeO4与PANI/RGO按一定的质量比混合搅拌反应，即可得到Fe2O3/PANI/RGO三元复合材料。对所制得的复合材料进行结构表征，实验结果显示，PANI可以在原位还原FeO42-得到Fe2O3纳米粒子，从而得到Fe2O3/PANI/RGO三元复合材料。电化学性能测试表明Fe2O3/PANI/RGO三元复合材料的比电容比较高，当电流密度为1A·g-1时，其比电容可达520.5F·g-1，循环充放电2000次之后，其容量为起始容量的93.21％，测试结果表明，其作为超级电容器的电极材料具有潜在的应用价值。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 超级电容器的分类及原理

1．1．1 双电层电容器(EDLC)

1．1．2 法拉第准(赝)电容器

1．1．3 超级电容器的优势及面临的挑战

1．2 超级电容器电极材料的分类

1．3 碳基材料在超级电容器中的应用

1．4 聚苯胺在超级电容器中的应用

1．5 过渡金属氧化物在超级电容器中的应用

1．6 本论文的选题意义和主要研究内容

参考文献

第二章 三元同轴二氧化锰／聚苯胺／碳纳米管复合材料的构建及其电化学性能的研究

2．1 引言

2．2 试剂与仪器

2．2．1 实验仪器

2．2．2 实验试剂

2．3 实验方法

2．3．1 PANI的制备

2．3．2 三元同轴MnO2／PANI／MWCNT复合材料的制备

2．3．3 样品的表征

2．3．4 电化学性能测试

2．4 结果与讨论

2．4．1 三元同轴MnO2／PANI／MWCNT复合材料的TEM表征

2．4．2 三元同轴MnO2／PANI／MWCNT复合材料的XRD、EDX和XPS表征

2．4．3 三元同轴MnO2／PANI／MWCNT复合材料的FT-IR和UV-vis表征

2．4．4 三元同轴MnO2／PANI／MWCNT复合材料的电化学性能测试

2．5 本章小结

参考文献

第三章 三明治层状二氧化锰／聚苯胺／还原石墨烯纳米片的构建及其电化学性能的研究

3．1 引言

3．2 试剂与仪器

3．2．1 实验仪器

3．2．2 实验试剂

3．3 实验方法

3．3．1 PANI／RGO混合纳米片的制备

3．3．2 三明治层状MnO2／PANI／RGO纳米片的制备

3．3．3 工作电极的制备

3．3．4 样品的表征

3．3．5 三明治层状MnO2／PANI／RGO纳米片的电化学性能测试

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 三明治层状MnO2／PANI／RGO纳米片的TEM表征

3．4．2 三明治层状MnO2／PANI／RGO纳米片的SEM表征

3．4．3 三明治层状MnO2／PANI／RGO纳米片的XRD和EDX的表征

3．4．4 三明治层状MnO2／PANI／RGO纳米片的XPS表征

3．4．5 三明治层状MnO2／PANI／RGO纳米片的FT-IR和UV-vis表征

3．4．6 三明治层状MnO2／PANI／RGO纳米片的电化学性能测试

3．5 本章小结

参考文献

第四章 氧化铁／聚苯胺／还原石墨烯三元复合物的构建及其电化学性能的研究

4．1 引言

4．2 试剂与仪器

4．2．1 实验仪器

4．2．2 实验试剂

4．3 实验方法

4．3．1 Fe2O3／PANI／RGO三元复合材料的制备

4．3．2 电极的制备

4．3．3 循环伏安(CV)测试

4．3．4 恒电流充放电(Charge-Discharge)测试

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 Fe2O3／PANI／RGO三元复合材料的TEM表征

4．4．2 Fe2O3／PANI／RGO三元复合材料的XRD和EDX表征

4．4．3 Fe2O3／PANI／RCO三元复合材料的XPS表征

4．4．4 Fe2O3／PANI／RGO三元复合材料的FT-IR、Raman和UV-vis表征

4．4．5 Fe2O3／PANI／RGO三元复合材料的电化学性能测试

4．5 本章小结

参考文献

第五章 结论

致谢

硕士期间发表论文和专利

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