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苯磺酸功能化碳纳米管基复合材料的制备及其超电容特性

高博  
【摘要】:超级电容器作为一种具有高功率特性和长寿命的优良储能器件,近年来得到了广泛的关注。具有法拉第赝电容特性的电活性物质,与具有良好双电层电容特性的碳纳米管的复合有望实现二者优势互补,使电极在大电流密度下可以获得更高的能量密度。因此,本论文的研究内容主要集中于碳纳米管基复合材料的制备、表征及其在超级电容器中的应用。论文的主要内容如下: 1.采用原位芳基重氮盐反应对多壁碳纳米管进行苯磺酸功能化修饰,亲水性的苯磺酸基团有效改善了碳纳米管在水溶液中的分散性,其在强力搅拌和长时间静置条件下均未发生团聚。此外,共价修饰的苯磺酸基团使碳纳米管表面荷负电性,可与各种赝电容材料的前驱体相互作用,使其在碳纳米管表面富集并均匀生长。 2.在温和的水热条件下,以苯磺酸功能化碳纳米管为载体,实现了高负载情况下RuO_2·xH_2O在碳纳米管表面均匀分散。电化学研究表明,当RuO_2·xH_2O负载量为15 wt.%时,RuO_2/p-MWCNTs复合材料中RuO_2·xH_2O电化学利用率达到1228.7 F g~(-1),为其理论容量的61.7 %;当RuO_2·xH_2O负载量增至45 wt.%,其活性物质利用率仍高于RuO_2/p-MWCNTs复合材料在32 wt.%负载量时的798 F g~(-1),表明复合材料在高负载下仍然具有良好的能量存储特性。 3.以苯磺酸功能化碳纳米管为载体,采用化学沉淀法实现了NiO和Co(OH)_2两相在碳纳米管表面的均匀负载。f-MWCNTs既可以作为高比表面基底,其表面的苯磺酸官能团又可以作为锚定基团使Ni~(2+)或Co~(2+)前驱体在其侧壁得到富集。与未功能化碳纳米管负载相同活性物质含量NiO或Co(OH)_2的复合材料相比,两种复合材料中活性物质的电化学利用率都得到了进一步的提高,其单电极比容量在电流密度1.0 A g~(-1)下达到306 F g~(-1)和421 F g~(-1),分别超出具有相同活性物质负载量NiO/p-MWCNTs和Co(OH)_2/p-MWCNTs的50 %和60 %以上。 4.以苯磺酸功能化修饰的碳纳米管为载体,通过硝酸盐热解法制备了具有核壳结构的CoNiO_x/f-MWCNTs复合材料。CoNiO_x/f-MWCNTs复合材料由于与碱性电解质接触,可转变为具有良好导电性的Co(OH)_2和具有较高的能量存储密度的β-Ni(OH)_2,因此表现出更好的能量存储特性和功率特性,其单电极比容量在电流密度为1.0 A g~(-1),仍能维持在633.6 F g~(-1)。 5.利用原位聚合法合成了导电聚合物/苯磺酸功能化碳纳米管复合材料。电化学测试表明,导电聚合物/f-MWCNTs形成的三维多孔的导电网络有利于电子的传输和电解质离子的扩散,而苯磺酸基团本身又可以进行快速的原位掺杂和脱掺杂,复合材料电极表现出更好的倍率响应、能量存储特性,以及更好的循环稳定性。


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