生物空气电池新型导电聚合物正极材料的制备及应用

【摘要】：生物空气电池由于具有易于小型化的特点,将很有可能替代传统商业锂电池作为植入式医疗器械(AIMD)的电源。导电聚合物(CPS)在以前的研究中所展现的电催化活性和生物相容性,能满足其应用于生物电池的要求。此外,与常用的贵金属(如铂)材料相比,具有价格低廉的优点,因而是较为理想的正极材料。然而,导电聚合物总是需要一些掺杂剂如石墨烯、蒽醌和氮氧自由基聚合物等,以提高其电化学性能和生物相容性。本文主要对导电聚合物掺杂后在生物空气电池的应用进行了深入研究。为了显著提高聚合物电极的电导率和放电性能,我们采用电化学聚合法,以常见的单掺杂聚吡咯(PPy)/9,10蒽醌-2-磺酸钠(AQS)电极材料为基础,引入具有高导电性的还原氧化石墨烯作掺杂剂,制得了一种新型的聚吡咯/还原氧化石墨烯(RGO)/9,10蒽醌-2-磺酸钠(AQS)双掺杂材料。PPy/AQS/RGO在25μA cm~(-2)电流密度下的放电电压为1.40 V,比相同情况下的PPy/AQS电极高了130 mV。此外,在电化学阻抗谱中可以观测到,当PPy处于还原态时,PPy/AQS/RGO电极仍能表现出较为低的阻抗值和良好的电导率,这与PPy/AQS相比有了极大的提高。为了提高导电聚合物复合材料的氧化还原催化活性和能量密度,改用具有更高能量密度的聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)作为电极材料基体,继续以双掺杂的形式将AQS与RGO两种掺杂剂的优点相结合,并且两种材料的最佳比例进行了一定的探索,结果表明当AQS浓度为0.002 mol/L,RGO浓度为0.75 mg/mL时,所制得的复合材料呈现出与单掺杂材料迥异的多孔结构,这种结构的出现有利于材料与电解质界面的传质传电。性能最佳双掺杂样品的能量密度可达13470 mW m~(-2)远远高于单掺杂体系的PEDOT/AQS或者PEDOT/RGO材料。以AQS和RGO做为掺杂剂所制备的复合材料具有较高的能量密度,能作为一次性电池的电极材料,但由于其循环性能和充放电性能较差,仍存在改进的空间。为了制备兼具高能量密度、循环性能良好的电极材料,我们结合前两章研究内容的优点,选择以PPy为基体,以氮氧自由基聚合物PTMA作为新型掺杂剂,通过化学聚合的方法成功将PTMA掺入PPy聚合物中。PPy/PTMA材料展现出良好的能量密度和优秀的循环性能,在循环50次后放电电压仍能保持在初始电压的99%以上。