收藏本站
《南京理工大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

石墨烯/导电聚合物纳米复合材料及其电化学研究

王华兰  
【摘要】:石墨烯(graphene, GE)是当今材料科学、信息科学、生命科学、新能源等学科交叉领域研究的热点之一,因其极大的比表面积和优良的电学性质在新能源材料和器件、电子学、催化、传感器、生物医学、光学等诸多领域显示出巨大的应用前景。本论文主要围绕高品质(氧化)GE/导电聚合物复合材料的可控制备及其在电化学电容器(超级电容器)方面的应用展开了系统的研究。电化学电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件,具有功率密度高、充放电速率快、循环寿命长、效率高、工作温度范围宽、可靠性好等诸多优点。电极材料是决定电化学电容器性能的关键,与传统的碳材料如活性炭、碳纳米管(carbon nanotube, CNT)相比,GE具有更高的电子传导速率、比表面积和机械性能,有望实现大规模工业应用。然而目前针对GE电极材料的研究报道较少,人们对GE复合电极材料的储能特点、性能等缺乏系统的认识。 本论文以研究高性能的(氧化)GE/导电聚合物复合材料电极为目标,设计并制备了几种高容量、高功率特性的复合电极材料,系统研究了这几类电极的“种类—微结构—性能”之间的关联,阐明了它们各自的电化学性能特点。在高性能GE及其复合电极的制备和储电性能方面取得了若干新的认识和进步。具体内容如下: (1)氧化石墨烯(GEO)表面含有羟基、环氧基和羧基等含氧官能团,易在水溶剂中形成稳定的悬浮液,并且易吸附单体分子制备复合材料。借助GEO这种固有的优势,本文采用原位聚合法,在苯胺单体聚合的过程中引入GEO,制备了一种新型高性能电化学电容器电极材料——氧化石墨烯/聚苯胺(GEO/PANI)复合物。通过对制备条件的调控,获得了具有两种典型形貌的复合材料:一是由GEO为内部骨架、细小的PANI纤维在GEO表面组装而成,二是由独立的片层GEO和纤维状PANI组合而成。通过各种表征手段和对数据的分析,我们提出了GEO/PANI复合物中GEO和PANI之间可能存在的四种结合方式:①π—π堆叠,②静电作用,③氢键,④化学掺杂。这些结合方式在一定程度上使得复合物的性能更为稳定。 建立了GEO/PANI复合物的比容量和石墨原料尺寸(12500和500目)、GEO的引入量之间的关联性。确定了复合物在GEO、苯胺投料质量比为1:200(12500目)和1:50(500目)时初始比容量达到最高值,分别为746和627 F/g,高于PANI的216 F/g,显现出更加优异的储电性能。 (2)由于GEO的导电性远不及GE, GEO作为电极材料时其储电性能的提升空间是有限的,因此,有必要将GEO转化为GE。基于这种分析,本论文设计了两种制备GE/PANI复合材料的方案:一是先用化学法制备GE,将GE引入到苯胺的聚合反应中简称“直接法”。二是以GEO/PANI为原料,采用热的NaOH溶液对复合物中的GEO进行辅助去氧、对PANI进行去掺杂作用,最后用盐酸溶液对样品进行重掺杂,简称“间接法”。实验证明,间接法制备的复合物形貌均匀性和电化学性能均优于直接法,它巧妙地利用了NaOH的去掺杂和为还原提供碱性环境双重功能,可以有效地提高复合物中GE的分散性。该方法简单、有效、成本低廉,是一种理想的制备GE/PANI复合材料的途径,还可以应用到其它GE基导电聚合物如聚吡咯(polypyrrole, PPY)、聚噻吩(polythiophene, PTH)等复合材料的制备中,具有普适性。 以乙二醇为溶剂,采用间接法成功地制备出了纳米PANI颗粒均匀覆盖的、GE高度分散的GE/PANI复合物,该复合物具有超乎寻常的柔韧性,能够在微观上实现弯曲而不折断。将其用作超级电容器电极,比容量高达1126 F/g,1000次充放电后循环寿命达84%,显示出超越单组分GE和PANI电极的优异的电化学性能。与此同时,复合材料的能量密度和功率密度也大幅度提高,获得了141.1 W/kg的功率密度和37.9Wh/kg的能量密度,几乎是GE相应数值的10倍。此外,我们尝试了以乙醇为溶剂,采用间接法制备了导电纳米线桥联的GEO/PANI复合物。 (3)(氧化)GE悬浮液只有在碱性环境中才有更高的分散性,而在制备PANI的过程中需要加入大量的酸性分子,这使得(氧化)GE悬浮液变得不稳定、易团聚。为了进一步提高(氧化)GE悬浮液以及它在复合材料中的分散性,进而提高复合材料的储电性能,我们对GE进行磺化并将磺化的GE(SGE)引入到PANI的合成过程中,研究了界面法和原位聚合法制备的复合材料的微观形貌和电容性能。界面聚合法制备的复合物中PANI可以呈纳米棒或纤维状,原位聚合法制备的复合物中PANI呈颗粒或纤维状。研究表明:界面法得到的复合物的比容量高于原位聚合法。在界面法中,改变掺杂酸的数量和GE的用量,可以调控制备的复合物中(?)PANI的形貌。当掺杂酸只有SGE一种大分子酸时,PANI呈现纳米棒状,当掺杂酸为SGE和盐酸两种酸时,PANI为纳米粒子和纤维两种形貌。研究结果显示,在GE片层上引入磺酸基团后,磺酸基团可以作为苯胺聚合的大分子掺杂酸和模板,可以有效减少外加小分子酸的使用量,提高SGE片层在复合物中的分散性,减少团聚。此外,不同形貌的SGE/PANI对其电容性和循环寿命有较大影响。 (4)聚吡咯(PPY)也是一种很有前景的导电聚合物,本论文制备了GEO/PPY复合材料和GE/PPY复合材料,研究了它们各自的电化学性能,比较了两者之间储电性能的差异。通过改变掺杂酸种类实现了PPY粒子大小的可控制备:分别以H2SO4和1,5-NDA为掺杂剂,制备出了PPY尺寸分别为10和20 nm的GEO/PPY复合材料,它们分别具有最高达532和475 F/g的比容量,高于PPY电极材料的数值。吡咯用量、掺杂酸种类对GEO/PPY复合材料的微观结构、形貌和电化学性能影响显著,吡咯用量越大,GEO片层上负载的PPY越多、片层越厚。 同时,将化学还原法制备的GE引入到PPY合成过程中,制备了具有纳米粒子和纳米纤维复合结构的GE/PPY复合材料,该复合材料比相同条件下制备的GEO/PPY复合材料具有更高的比容量,比容量提高率达65%,是一种理想的电极材料。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.1

手机知网App
【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 王娴;;功能化石墨烯/聚合物基复合材料性能研究进展[J];精细化工原料及中间体;2012年05期
2 王娴;;功能化石墨烯/聚合物基复合材料性能研究进展[J];合成材料老化与应用;2012年06期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 李英;二氧化锰及二氧化锰/氧化石墨烯复合电极的超电容性能[D];天津大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 任丽,王立新,赵金玲,张福强,李佐邦;导电聚合物及导电聚吡咯的研究进展[J];材料导报;2002年02期
2 裴坚;塑料,导体和有机光电信息材料——2000年诺贝尔化学奖简介[J];大学化学;2001年02期
3 谢胡晓;邱藤;李效玉;;用离子吸附法制备银/聚吡咯同轴纳米电缆[J];高等学校化学学报;2008年05期
4 傅玲;刘洪波;吴旭梅;邹艳红;吴婧;沈国励;李波;;添加剂对聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料结构和性能的影响[J];高分子材料科学与工程;2006年03期
5 孟庆函,刘玲,宋怀河,凌立成;炭气凝胶为电极的超级电容器的研究[J];功能材料;2004年04期
6 黄毅;陈永胜;;石墨烯的功能化及其相关应用[J];中国科学(B辑:化学);2009年09期
7 邹艳红;吴婧;刘洪波;陈宗璋;;聚苯胺/氧化石墨的合成及其在DNA识别上的应用[J];新型炭材料;2005年04期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 夏娟;唐定兴;;氧化石墨片层中含氧官能团的探讨[J];安徽工程大学学报;2011年01期
2 任慧;焦清介;崔庆忠;;膨胀石墨干扰8毫米波特性研究[J];兵工学报;2006年06期
3 蒋亚娴;陈晓红;宋怀河;;用于超级电容器电极材料的球形炭气凝胶[J];北京化工大学学报(自然科学版);2007年06期
4 袁慧珍;宋永海;张梅;刘丽;汪莉;;磷钼酸/壳聚糖功能化的石墨烯多层膜修饰电极及其电化学行为[J];江西师范大学学报(自然科学版);2011年05期
5 赵远;黄伟九;;石墨烯及其复合材料的制备及性能研究进展[J];重庆理工大学学报(自然科学);2011年07期
6 贺晓蕊;张秀明;林青;邢宪荣;朱晗;黄加栋;;导电聚合物及其在生物传感器构建中的应用[J];传感器与微系统;2010年07期
7 许爱忠,胡晓明,阳明书,江雷,武强;电子聚合物基体碳纳米管复合材料研究进展[J];材料导报;2002年11期
8 于仁光,乔小晶;纳米复合材料——可膨胀石墨的合成及应用[J];材料导报;2003年S1期
9 周文明;贺蕴秋;;氧化石墨插层纳米复合材料的制备研究进展[J];材料导报;2007年S3期
10 吴新明;齐暑华;贺捷;段国晨;;导电聚苯胺与天然层状材料的复合研究进展[J];材料导报;2008年10期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 周强;;膨化石墨油品及其磁场润滑增效作用[A];第二届全国工业摩擦学大会暨第七届全国青年摩擦学学术会议会议论文集[C];2004年
2 赵洁;鲍健强;;低碳发展思路下电动汽车动力锂电池技术难题的突破——两种原理性实现快速充电的方法[A];浙江省经济欠发达地区低碳发展综合研讨会论文集[C];2013年
3 金国;崔秀芳;杨雨云;李庆芬;;植酸转化膜在镁合金表面有机涂层中的应用研究[A];第八届全国表面工程学术会议暨第三届青年表面工程学术论坛论文集(六)[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 闫俊;碳/氧化锰复合材料的制备及电化学性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 郭志军;燃料电池用碳气凝胶载铂基催化剂的制备与表征[D];北京交通大学;2011年
3 张辉;功能性半导体纳米晶组装体系的制备及其可见光响应性能研究[D];大连理工大学;2011年
4 张晶;基于介孔碳载体的高容量超级电容器复合电极材料的制备及性能研究[D];兰州理工大学;2010年
5 覃吴;碳基金属及金属氧化物纳米催化剂协同催化性能研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
6 岳学庆;新型膨胀石墨基功能材料的制备及结构与性能研究[D];燕山大学;2011年
7 张治安;基于氧化锰和炭材料的超级电容器研究[D];电子科技大学;2005年
8 关华;抗红外/毫米波双模发烟剂技术研究[D];南京理工大学;2005年
9 贾素秋;镁合金的腐蚀行为与防护[D];吉林大学;2006年
10 沈良;高分子有机/无机纳米复合材料的制备及其结构性能研究[D];复旦大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵欣;炭气凝胶的制备及其对低密度脂蛋白的吸附研究[D];华东理工大学;2011年
2 王猛;功能性介质中高性能导电聚吡咯的合成和性能研究[D];华东理工大学;2011年
3 李芳;聚吡咯薄膜的电化学制备及器件初探[D];北京交通大学;2011年
4 孔德帅;纳米多孔结构镍基复合膜电极的电化学法制备及其赝电容性能[D];浙江大学;2011年
5 国帅;模板碳的制备及其电容性能的研究[D];东华大学;2010年
6 万丽娟;石墨烯的制备及其改性锂离子电池电极材料的研究[D];西北大学;2011年
7 迟美玲;提高微生物燃料电池性能的电极材料研究[D];南开大学;2011年
8 周静;氧化石墨烯和石墨烯的制备、表征与应用[D];南京大学;2011年
9 苏芬芳;微波加热法制备石墨烯纳米复合材料的研究[D];华东师范大学;2011年
10 刘卯成;多孔金属氧化物电极材料的制备及其超级电容性能研究[D];兰州理工大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王甜甜;张伟;张邦文;;硅橡胶/纳米石墨片复合薄膜的压阻特性研究[J];内蒙古科技大学学报;2012年02期
2 张文毓;全识俊;;石墨烯应用研究进展[J];传感器世界;2011年05期
3 曹丰;李东旭;管自生;;导电高分子聚苯胺研究进展[J];材料导报;2007年08期
4 李伟平;刘顺华;段玉平;李长茂;;纳米导电聚苯胺的微观表征及其电磁性能[J];材料科学与工程学报;2007年03期
5 王然;苗小丽;;大功率超级电容器的发展与应用[J];电池工业;2008年03期
6 张爱勤;王力臻;张勇;申法宝;;活性炭-聚苯胺混合电容器的电化学性能[J];电池工业;2010年01期
7 黄惠;许金泉;郭忠诚;;导电聚苯胺的研究进展及前景[J];电镀与精饰;2008年11期
8 王晓峰,解晶莹,孔祥华,刘庆国;“超电容”电化学电容器研究进展[J];电源技术;2001年S1期
9 毛定文;田艳红;;超级电容器用聚苯胺/活性炭复合材料[J];电源技术;2007年08期
10 贺晓书;丛文博;华黎;;PANI/MWCNT复合材料电容性能研究[J];电源技术;2010年11期
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 吕翔;石墨烯的制备及高分子改性[D];武汉理工大学;2011年
2 卫保娟;碳纳米管与石墨烯增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D];汕头大学;2011年
3 吕成;化学修饰对石墨烯/聚合物复合材料界面及其特性影响的分子动力学模拟研究[D];中国石油大学;2011年
4 王德瑾;几种纳米材料对聚乳酸结晶及力学性能的影响[D];大连理工大学;2011年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 同元辉;石墨烯功能化对儿茶酚胺电分析性能的影响[D];曲阜师范大学;2013年
2 徐环环;羧基化石墨烯对儿茶酚胺电分析性能的改进与应用[D];曲阜师范大学;2014年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 宝净生,韩宝珍,毕先同;聚吡咯(PPY)/聚己内酰胺(Nylon 6)——导电复合材料的研究[J];高分子学报;1987年05期
2 井新利,郑茂盛,蓝立文;反向微乳液法合成导电聚苯胺纳米粒子[J];高分子材料科学与工程;2000年02期
3 张福强,王立新,王新,陈晓婷,赵继栋;PPy/SiO_2纳米复合材料的合成与导电性能[J];高分子材料科学与工程;1998年06期
4 钱人元;叶成;;导电高聚物的分子设计问题[J];高分子通报;1991年02期
5 万梅香;导电高分子[J];高分子通报;1999年03期
6 王立新,张福强,姜云鹏,王新,孙晓波;PPy/SiO_2纳米复合材料导电机理的研究[J];功能材料;1999年03期
7 王立新,张福强,王新,姜云鹏,李茂玲;PPy/SiO_2纳米复合材料的合成与表征[J];合成树脂及塑料;1998年02期
8 郭秀春;导电聚合物的开发应用及其进展[J];化工进展;1992年02期
9 李晓常,李世瑨;导电聚合物的进展——(Ⅰ)导电聚合物的研制及品种[J];化工进展;1992年04期
10 陈雨萍;漆宗能;;聚合物分子复合材料研究进展[J];化学通报;1990年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;Preparation,Characterization and Comparative NH_3-sensing Characteristic Studies of PANI/inorganic Oxides Nanocomposite Thin Films[J];Journal of Materials Science & Technology;2010年07期
2 马旭光;;杂多酸/PANI/TiO_2复合材料的制备及光催化性能[J];广州化工;2012年21期
3 杜秀明;杨光;刘小云;庄启昕;韩哲文;;PANI-PBOPy复合材料的制备及介电性能[J];功能高分子学报;2012年04期
4 Amir Mostafaei;Ashkan Zolriasatein;;Synthesis and characterization of conducting polyaniline nanocomposites containing ZnO nanorods[J];Progress in Natural Science:Materials International;2012年04期
5 Paul Bidez;Elizabeth Guterman-Tretter;Alan G. MacDiarmid;Peter I. Lelkes;危岩;;ELECTROACTIVE AND NANOSTRUCTURED POLYMERS AS SCAFFOLD MATERIALS FOR NEURONAL AND CARDIAC TISSUE ENGINEERING[J];Chinese Journal of Polymer Science;2007年04期
6 ;Antioxidant activity of polyaniline nanofibers[J];Chinese Chemical Letters;2007年08期
7 石聪文;王婷;魏培海;逄书明;;SPS-Coal-PANI复合材料的制备与表征[J];中国高新技术企业;2009年10期
8 石敏先;黄志雄;杨国瑞;;PANI-PMN/环氧树脂复合材料的制备[J];合成树脂及塑料;2009年02期
9 桑晓光;曾繁武;刘晓霞;;特殊形貌的PANI/CeO_2的电化学制备[J];金属学报;2012年05期
10 桑晓光;曾繁武;刘晓霞;;特殊形貌的PANI/CeO_2的电化学制备[J];金属学报;2012年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 ;Polyaniline-Co_(0.5)Zn_(0.5)La_(0.1)Fe_(1.90)O_4 Composites in the 8.2-12.4GHz Frequency Range[A];中国颗粒学会超微颗粒专委会2011年年会暨第七届海峡两岸超微颗粒学术研讨会论文集[C];2011年
2 房萍;韩杰;郭荣;;MnO_2/PANI复合材料的合成及性能研究[A];中国化学会第28届学术年会第12分会场摘要集[C];2012年
3 张文林;王虎;余朝敬;唐祥海;;SiO_2@PANI复合结构材料的合成与表征[A];第十一届全国青年催化学术会议论文集(下)[C];2007年
4 潘玮;杨胜林;李光;江建明;;PANI-DBSA/PAN共混体系的流变性能研究[A];2004年全国高分子材料科学与工程研讨会论文集[C];2004年
5 梁慧;黄俐研;刘正平;;PS/PANI复合中空微球的制备新途径[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
6 韩桂梅;高飞;李建玲;和丽志;张雅琨;;电化学合成γ-MnO_2/PANI复合材料及性能研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年
7 彭小亮;雷光财;郑毅芳;许一婷;戴李宗;;PANI/C载Pt催化剂及其对甲醇电催化氧化研究[A];2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2007年
8 ;Thermal Stability of Several Polyaniline/rare Earth Oxide Composites(Ⅲ):Polyaniline/Nd_2O_3 Composites[A];中国化学会成立80周年第十六届全国化学热力学和热分析学术会议论文集[C];2012年
9 李生英;张力;徐飞;王永红;;PANI/ZnO复合纳米粉的制备及表征[A];甘肃省化学会二十六届年会暨第八届中学化学教学经验交流会论文集[C];2009年
10 Zidong Wei;;Enhanced stability of Pt nanoparticles on carbon supports for fuel cells[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会:电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 邵亮;聚苯胺及其复合材料的制备及功能性和可加工性研究[D];兰州大学;2011年
2 房晓红;聚苯胺/碳复合材料的制备及去除水中重金属的性能研究[D];大连理工大学;2013年
3 赵娟;PANI-PVAm/PS纳米复合膜的制备及其CO_2/N_2渗透选择性能研究[D];天津大学;2012年
4 钟文斌;2,3维纳/微米结构聚苯胺的设计与合成[D];北京化工大学;2005年
5 曾繁武;纳米传感材料制备及性能研究[D];东北大学;2010年
6 王华兰;石墨烯/导电聚合物纳米复合材料及其电化学研究[D];南京理工大学;2011年
7 许军;聚苯胺/对苯二胺功能化多壁碳纳米管导电复合材料的制备、结构与性能研究[D];天津大学;2009年
8 唐群委;导电多层膜的层层自组装及性能研究[D];华侨大学;2009年
9 孙俊;微纳结构聚苯胺及其复合材料的制备和电磁性能研究[D];安徽大学;2012年
10 孙立波;导电聚合物复合材料的制备与表征[D];山东大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 于佳;PANI-TiO_2复合方法的探索及光电性能研究[D];黑龙江大学;2007年
2 于丽娜;化学氧化法合成聚苯胺及PANI/SiO_2复合材料的结构与性能研究[D];东北大学;2008年
3 张楠;PANI/Fe_3O_4的制备与性能研究[D];西南交通大学;2012年
4 马涛;1-3型复合材料PANI-PVDF的制备及其热电性能研究[D];武汉理工大学;2012年
5 王东梅;PANI/Sm_2O_3的合成及其光伏性能的研究[D];东北大学;2010年
6 胡玉;Fe_3O_4/PANI磁性高分子微球的制备与研究[D];中南大学;2009年
7 窦玉倩;聚苯胺基有机/无机复合材料制备[D];东北大学;2008年
8 姚添元;氧化石墨烯/锰氧化物/PANI三元复合电极材料的制备及性能研究[D];南京理工大学;2014年
9 靳艾平;PANI-V_2O_5纳米复合电致变色薄膜的合成、结构及性能[D];武汉理工大学;2005年
10 邬淑红;原位乳液法制备PANI/PMMA的研究[D];武汉理工大学;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026