二氧化锰/聚吡咯复合材料的制备和电化学性能研究

摘要

近十多年来，代替传统的石油化工能源的新能源技术得到了越来越多的重视。超级电容器作为一种具有充放电速度快、环境零污染、超长循环寿命等优点的新型储能器件，对解决能源匮乏和环境污染等现实问题具有重要的意义。导电聚合物聚吡咯制备简便，具有良好的电化学活性，而金属氧化物二氧化锰廉价，储量丰富，比容量高。因此二者结合的复合材料在超级电容器中具有广阔的应用前景。
　　 本论文以聚吡咯和二氧化锰材料为研究对象，采用原位合成技术研究了聚吡咯单体和聚吡咯/二氧化锰复合材料的形貌，制备方法及其电化学性能，利用XRD，FT-IR，SEM，TEM等手段，表征了所制备材料的形貌和结构。并在探讨了制备材料生长机理的基础上，研究了制备材料的电化学性质。
　　 二氧化锰是一种资源丰富的过渡金属氧化物，其在超级电容器中具有较强的应用潜力，但目前该材料的性能尚需要进一步改进。本论文旨在探索二氧化锰与导电聚合物聚吡咯的复合技术及复合材料用于超级电容器的电化学性能，具体的实验工作如下：
　　 (1)聚吡咯合成条件的研究。采用低温水热法，以三氯化铁和吡咯为原料，分别在水溶液和有机溶液中合成了纳米级的PPy粒子，并考察了最优的合成工艺，该法步骤简便、价格低廉、污染小。采用循环伏安、恒流充放电、电化学阻抗研究了电极的电化学性能。表明纳米级的PPy粒子比电容较好。
　　 (2)水相原位合成技术制备二氧化锰与聚吡咯复合材料。以KMnO4，FeCl3，MnSO4·H2O和Py为原料，采用化学原位聚合法，合成二氧化锰/聚吡咯复合材料。采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、场发射扫描式电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了MnO2/PPy的形貌和结构。通过电化学测试，结果表明，MnO2/PPy复合材料为无定型结构，粒径在50～100 nm。当MnO2的质量比为30.86％时，MnO2/PPy复合材料的比电容达206.61 F·g-1，400次循环后衰减约20％，有一定的容量保持能力。另外，MnO2/PPy复合材料的循环伏安曲线表现出良好矩型特征，充放电曲线表现出典型的电容行为。
　　 (3)复合溶剂相原位合成二氧化锰与聚吡咯复合材料。探索了有机溶剂与水共存对复合材料性能的影响。结果表明，采用25％的二乙二醇丁醚溶剂作为电解液，相同的化学原位氧化聚合的方法在有机溶液体系中制备了聚吡咯/二氧化锰纳米复合材料。结果显示，有机电解质中合成的MnO2/PPy复合材料比水溶液得到的材料粒径更小，粒径在20 nm左右，分布更均匀，比电容达328.37 F·g-1。800次循环后电容值基本保持不变，体现良好的循环稳定性，是一种理想的超级电容器材料。