过渡金属掺杂改性聚苯胺及其超级电容性能研究

摘要

聚苯胺(PANI)是属于典型的结构型导电聚合物。聚苯胺制备方法多样、简单、原料价格低廉、具有独特的掺杂机理、稳定性能良好，被广泛应用于电致变色、化学电源、电化学催化和化学生物传感器等方面。聚苯胺在超级电容器电极材料的研究，已经引起人们广泛的兴趣，用过渡金属化学或电化学改性聚苯胺，可有效提高聚苯胺的导电性继而较大程度改善其电容性能，且表现出较好的循环稳定性。本文使用过渡金属离子Co2+和Fe3+和过渡金属氧化物（NiCo2O4）改性聚苯胺，采用FI-IR、XRD、SEM、XPS和EDS等检测手段对其结构和形貌进行了表征，对改性后的聚苯胺的电化学性能进行了研究。主要研究内容如下：
　　（1）在盐酸介质中以苯胺为单体，以过渡金属Co2+和Fe3+为掺杂剂，采用循环伏安法电化学合成了金属离子掺杂改性聚苯胺薄膜材料，研究了不同掺杂浓度对聚苯胺纳米材料的电化学性能的影响。结果表明：当电流密度为3 mA·cm-2时，0.3M钴离子改性聚苯胺电极材料薄膜电极比电容达736 F·g-1，相对无Co2+掺杂的PANI薄膜提高了92.67％；当电流密度为3 mA·cm-2时，0.2M铁离子改性聚苯胺电极材料薄膜电极比电容达602 F·g-1，相对无铁离子改性的PANI薄膜提高了53.96%。并且通过交流阻抗测试可知，过渡金属离子改性提高了聚苯胺的导电性。且离子掺杂改性后的聚苯胺循环稳定性均有不同程度的改善。
　　（2）通过对Ni2+、Co2+、 Zn2+、 Mn2+、 Fe3+五种过渡金属掺杂改性聚苯胺薄膜电化学性能的研究，探讨了过渡金属离子掺杂聚苯胺的聚合机理，过渡金属离子和聚苯胺之间的相互作用，以及离子半径和亲和势对金属离子掺杂聚苯胺的超级电容性能的影响。结果表明：亲和势和离子半径的比值（Ea/r）对PANI/Mn+的比电容大小有直接的关系，亲和势越小，离子半径越大，PANI/Mn+的比电容越大。
　　（3）采用溶胶–凝胶法制备了钴酸镍（NiCo2O4）纳米材料，再利用化学原位聚合法制备了钴酸镍改性聚苯胺纳米复合材料。研究了不同钴酸镍含量改性聚苯胺的纳米复合材料的电化学性能。结果表明：当钴酸镍含量为10wt.%，复合材料在电流密度为5mA·cm-2下进行充放电，其比电容高达439.4F·g-1，并且常温下经过1000次循环充放电之后其比电容衰减率仅为34.89%。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器的分类及工作原理

1.3 导电聚合物

1.4 导电聚苯胺

1.5 聚苯胺的应用

1.6 聚苯胺的掺杂改性方法

1.7 本课题的研究意义和主要内容

第2章 钴离子（Co2+）电化学掺杂改性聚苯胺及其超级电容特性研究

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

第3章 铁离子（Fe3+）及其它过渡金属离子掺杂改性聚苯胺超级电容特性研究

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3亲和势和离子半径对过渡金属离子掺杂聚苯胺的电化学性能的影响

3.4 本章小结

第4章 钴酸镍（NiCo2O4）掺杂改性聚苯胺及其超级电容特性研究

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录