细菌纤维素基导电材料的制备与应用研究

摘要

柔性导电材料在电化学领域有着广泛应用。现阶段，纤维素基柔性导电材料仍存在电导率低的问题，通过使用纳米级材料提高其比表面积可改善这一问题。细菌纤维素(BC)是一种价格便宜易得的三维纳米级多孔材料，具有高比表面积、高孔隙率、高结晶度和机械性能良好的特点，常作为导电复合材料的基底物。聚吡咯(PPy)因具有高导电性、可逆的氧化还原性和易合成而被广泛用于导电材料中。碳纳米管(CNTs)具有高比表面积、高电导率和良好的机械强度的特点，可提高导电材料的能量存储和转换效率。本课题以BC浆为模板，通过氧化聚合吡咯后掺杂CNTs制备了细菌纤维素基柔性导电材料，主要研究内容及结果如下: (1)将细菌纤维素制备成浆，原位化学氧化聚合吡咯，得到了核壳结构的BC@PPy导电浆。通过单因素实验和响应面法优化了BC@PPy的制备条件。实验结果表明:在吡咯含量0.3 mL，nFeCl3∶n吡咯为1.3，nHCl∶n吡咯为25，反应时间为180 min时，电导率可达到最优。 (2)向BC@PPy导电浆中添加单壁碳纳米管分散液，合成了细菌纤维素@聚吡咯-单壁碳纳米管(BC@PPy-SWCNTs)导电膜。通过SEM、FTIR、拉曼光谱表征其形貌结构，并将其应用在对称型超级电容器中。实验结果表明:BC@PPy-SWCNTs膜的电导率可达到7.379 S·cm-1，所得超级电容器的最大面积比电容为0.605 F·cm-2，在1 mA·cm-2电流密度下，功率密度为0.342 mW·cm-2时，能量密度为0.0392 mWh·cm-2。 (3)向BC@PPy导电浆中添加多壁碳纳米管分散液，合成了细菌纤维素@聚吡咯-多壁碳纳米管(BC@PPy-MWCNTs)导电膜。通过SEM、FTIR、拉曼光谱表征其形貌结构，并将其应用在对称型超级电容器中。实验结果表明:BC@PPy-MWCNTs膜的电导率可达到1.595 S·cm-1，所得超级电容器的最大面积比电容可达0.565 F·cm-2，在3 mA· cm-2电流密度下，功率密度为1.020 mW· cm-2时，能量密度为0.0363 mWh· cm-2。 以上结论表明，聚吡咯与碳纳米管的协同作用可以有效提高细菌纤维素的导电性能和电化学性能。该研究为细菌纤维素基导电材料在超级电容器方面的开发应用拓宽了思路。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1细菌纤维素复合材料及其应用

1．1．1纺织领域

1．1．2电化学和光学领域

1．1．3食品包装领域

1．1．4生物医学领域

1．2超级电容器简介

1．2．1超级电容器的原理

1．3本课题研究的目的及意义

第二章细菌纤维素@聚吡咯导电复合膜的制备及工艺优化

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验材料和仪器

2．2．2 BC@PPy导电复合膜的制备

2．2．3 BC@PPy导电膜的单因素试验

2．2．4响应面试验设计

2．3结果与讨论

2．3．1单因素试验结果分析

2．3．2响应面法结果分析

2．4本章小结

第三章细菌纤维素@聚吡咯-单壁碳纳米管导电膜的制备及应用

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验材料和仪器

3．2．2单壁碳纳米管的分散

3．2．3 BC@PPy导电膜的制备

3．2．4 BC@PPy-SWCNTs导电膜的制备

3．2．5 BC@PPy-SWCNTs基纽扣式超级电容器的制备

3．3分析方法

3．3．1单壁碳纳米管分散液透射电子显微镜和超景深显微镜测试

3．3．2单壁碳纳米管分散液粒度测试

3．3．3 BC@PPy-SWCNTs膜扫描电子显微镜测试

3．3．4 BC@PPy-SWCNTs膜傅里叶红外光谱测试

3．3．5 BC@PPy-SWCNTs膜激光共焦扫描成像拉曼光谱测试

3．3．6 BC@PPy-SWCNTs膜X射线衍射测试

3．3．7 BC@PPy-SWCNTs膜电导率测试

3．3．8 BC@PPy-SWCNTs膜电化学性能测试

3．3．9 BC@PPy-SWCNTs基超级电容器电化学性能测试

3．4结果与讨论

3．4．1单壁碳纳米管分散液形态及粒度分析

3．4．2 BC@PPy-SWCNTs膜形态及结构分析

3．4．3 BC@PPy-SWCNTs膜的电导率分析

3．4．4 BC@PPy-SWCNTs膜电化学性能分析

3．4．5 BC@PPy-SWCNTs基超级电容器电化学性能分析

3．5本章小结

第四章细菌纤维素@聚吡咯-多壁碳纳米管导电膜的制备及应用

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验材料和仪器

4．2．2多壁碳纳米管的分散

4．2．3 BC@PPy导电膜的制备

4．2．4 BC@PPy-MWCNTs导电膜的制备

4．2．5 BC@PPy-MWCNTs基纽扣超级电容器的制备

4．3分析方法

4．4结果与讨论

4．4．1 BC@PPy-MWCNTs膜形态及结构分析

4．4．2 BC@PPy-MWCNTs膜电导率分析

4．4．3 BC@PPy-MWCNTs基超级电容器电化学性能分析

4．5本章小结

第五章结论与展望

5．1主要结论

5．2展望

参考文献

发表论文与参加科研情况

致谢