三维石墨烯/苯胺-吡咯共聚物复合材料的制备及电化学性能研究

摘要

本文采用改进Hummers法制备得到氧化石墨凝胶（GO），采用化学氧化聚合法通过改变氧单比制备得到颗粒状苯胺-吡咯共聚物（PACP）；将GO和PACP作为前驱体混合，结合溶液共混法和水热还原法制备得到还原氧化石墨烯/苯胺-吡咯共聚复合物（3DAP）；将 PANI纳米纤维作为有效晶种对Py单体进行聚合，得到了核壳苯胺-吡咯共聚物（PANP），与氧化石墨烯超声混合液（GOS）进行一步水热法制备得到核壳苯胺-吡咯共聚物/RGO复合材料（3GAP）；用对苯二胺（PPD）作为氮源和还原剂与氧化石墨悬浮液进行混合超声，之后再与PACP混合，进行一步水热制备得到氮掺杂型石墨烯/苯胺-吡咯共聚物复合材料（3DPP）。利用SEM、TEM、XRD、FT-IR、Raman及电化学工作站等表征手段对3DGS、PACP、PANP、3DAP、3GAP和3DPP复合材料的微观形貌、结构特征、谱学特征及超级电容性能进行表征对比分析，并且进一步揭示了3DAP、3GAP和3DPP复合材料的复合机理。
　　研究结果表明：随着氧单比的增加，PACP的形貌呈现逐渐规则的纳米尺度颗粒形貌，颗粒尺寸大小呈现出先增大后减小的趋势；其热稳定性与均聚物相比有了明显的提升。当氧单比达到2∶1时，苯胺-吡咯共聚物具有最好的电化学性能，在0.5A·g-1的电流密度下，其比容量达到了447.5F·g-1，远远高出了其他氧单比例下的比容量值。
　　采用一步水热法制备得到3DAP共聚复合物，其中呈颗粒状的PACP能够均匀的分散于3DGS网状结构中。3DGS优异的多孔网状结构不仅提高了活性物质的利用率，而且实现了共聚物的均匀分散，二者的相互协同作用使得3DAP表现出了良好的超级电容性能；在0.5A·g-1电流密度下，其比电容可达628.5F·g-1，即使在10A·g-1的大电流密度下，其比容量仍高达384F·g-1，而在1A·g-1电流密度下循环1000次后比电容保持率可达86.1％。
　　PANP与GO复合后得到3GAP共聚复合物，可以看到纤维状的PANP分布在3DGS间，虽有明显片层褶皱，但也保持了较好的孔状结构，GS基底与PANP纳米纤维间的协同作用使得3GAP-X复合材料表现了出色的大电流充放电能力和循环性能。随着GO与PANP的质量比的增加，复合材料的比电容量先增加后减小，其中，3GAP-0.9电极具有最大的比电容量，在1A·g-1电流密度下达到了684.5F·g-1，在10A·g-1电流密度下，其比容量值仍达到了417F·g-1，经过1000次充放电循环后3GAP-0.9电极的比容量保持率为88%，且在相对于均聚物复合材料表现出了最佳的电化学性能。
　　以对苯二胺作为氮源制备得到3DPP复合材料，可以观察到随着氮掺杂量的变化，GS片层逐渐向螺旋多孔化转变，PACP颗粒均匀分散在螺旋孔隙间与片层边缘，形成3D水母状形貌；所制备的3DPP-N中GS片层与PACP间的协同效应得到了充分发挥，当加入75mg PPD进行氮掺杂后，形成的3DPP-3具有最佳的超级电容性能；在0.5A·g-1电流密度下，其比电容量达到693.5F·g-1，经过1000次充放电循环后3DPP-3电极的比容量保持率为90％，表现出了优良的电化学可逆性、倍率性能及循环稳定性。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的问题

1.4 研究内容及研究成果

1.5 技术路线

1.6 主要创新点

1.7 主要工作量

2 氧单比对苯胺-吡咯共聚物形貌、结构、热稳定性及超级电容性能的影响

2.1 实验

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

3 还原氧化石墨烯/苯胺-吡咯共聚复合物的制备及其超级电容性能

3.1 实验

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

4 核壳苯胺-吡咯共聚物/RGO复合材料的制备及超级电容性能

4.1 实验

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

5 氮掺杂型石墨烯/苯胺-吡咯共聚复合物的制备及超级电容性能

5.1 实验

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果