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《陕西师范大学》 2016年
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聚苯胺基电极材料的设计、制备及其电容性质

任莉君  
【摘要】:超级电容器是一种新型的能量存储装置,由于具有高的功率密度、优异的循环稳定性和相对较低的制作成本,近年来受到研究者的广泛关注。电极材料、电解质以及组装技术等都会影响超级电容器的性能,而电极材料作为超级电容器性能的主要影响因素,对超级电容器的性能起到关键影响。聚苯胺(PANI)材料由于理论比电容高、导电性好、制备简单和成本低,以已成为超级电容器电极材料研究热点之一。但是,PANI电极材料的实际比电容远低于理论比电容,且倍率性能和循环稳定性差,从而使其实际应用受到限制。针对PANI电极材料的这些缺陷,研究者通过调控PANI电极材料的微观结构和形貌,制备PANI基复合电极材料及应用氧化还原电解质等措施,期待有效改善PANI电极材料的性能。本论文采用模板吸附技术和化学氧化聚合法设计、制备了不同形貌特征的PANI基电极材料。采用FTIR、Raman光谱、XRD、FESEM和TEM等技术,对所制备PANI基电极材料的组成、结构及形貌进行了系统表征分析。研究了制备材料的电容性质,探讨了 PANI基电极材料形貌、组成及结构差异对其电容性质的影响。以花状PANI电极材料为主要研究对象,研究了氧化还原电解质对组装对称电容器电容行为的影响。论文主要研究内容和结果如下:采用模板吸附技术,以不同形貌α-MnO_2为模板剂和氧化剂,酸性条件下制备了四种不同形貌包括纳米纤维、纳米棒、纳米管和纳米花PANI电极材料。研究结果发现,制备的PANI电极材料分散性良好且形貌均一,模板吸附过程和H_2SO_4浓度对形成不同形貌PANI电极材料起着至关重要的作用。四种不同形貌PANI电极材料的电容性质与其形貌相关,三电极体系测试结果表明,PANI纳米管电极材料具有最高的质量比电容和最优异的倍率性能。PANI纳米管电极在电流密度为1 A g~(-1)条件下的质量比电容为661 F g~(-1),电流密度从1 A g~(-1)增大到10 A g~(-1)时的电容保持率为88%。中空管状结构有利于PANI电极材料赝电容的充分发挥,能有效促进高电流密度下电解质离子在电极材料内部的快速传输。模板吸附技术为制备具有优异电容性质其它导电聚合物电极材料提供了新方法。以纳米片组装的管状MoS_2活性物质为生长基体骨架,酸性条件下原位化学氧化聚合,制备了不同PANI含量的管状MoS_2/PANI电极材料。当电极材料中PANI质量分数为60%时,在管状MoS_2基体的内外壁上均匀生长了直径为10~20 nm PANI纳米线阵列,得到管状MoS_2/PANI-60电极材料。三电极体系测试结果表明,MoS_2/PANI-60电极在电流密度为0.5 A g~(-1)条件下的质量比电容为552 F g~(-1),电流密度从0.5 A g~(-1)增大至30 A g~(-1)的电容保持率为82%。与PANI相比,MoS_2/PANI-60电极材料的质量比电容、倍率性能和循环稳定性均有明显提高,提高原因归因于其特殊的管状结构及MoS_2基体与PANI纳米线阵列之间的协同作用。以管状MoS_2/PANI-60为电极材料组装对称电容器,组装的电容器具有优异的倍率性能和循环稳定性,在电流密度为1 A g~(-1)条件下的质量比电容为124 F g~(-1),连续循环6000圈后比电容为初始值的79%。特殊管状结构为提高PANI电极材料的倍率性能和循环稳定性提供了有效途径。以自组装抽滤技术制备的石墨烯(RGO)薄膜为柔性基体,通过原位化学氧化聚合法制备了不同RGO含量的聚苯胺-聚对苯二酚/石墨烯(PANI-PHQ/RGO)薄膜电极材料。三电极体系测试结果表明,当薄膜电极材料中RGO的质量分数为61%时,PANI-PHQ/RGO-61薄膜电极在电流密度为0.5 A g~(-1)条件下的质量比电容为356 Fg~(-1),电流密度从0.5 A g~(-1)增大到30 A g~(-1)时的电容保持率为83%。在电流密度为10 A g~(-1)条件下连续充放电循环1000圈后的电容保持率为94%,库仑效率高达99%。氧化还原活性物质聚对苯二酚(PHQ)在PANI-PHQ/RGO-61薄膜电极材料中的加入,使得薄膜电极材料的循环稳定性明显优于纯PANI(60%)和PANI/RGO-60(74%)电极材料。与 PANI 和 PANI/RGO-60 相比,PANI-PHQ/RGO-61薄膜电极材料的电化学可逆性及倍率性能也得到了显著改善。电极材料体系中加入氧化还原活性物质为制备电容性质优异的超级电容器薄膜电极提供了新思路。以化学氧化聚合法制备的花状PANI为电极材料,组装了 PANI对称电容器,应用氧化还原电解质改善电容器的电容性能。在H_2SO_4电解液中加入Fe~(3+)/Fe~(2+)氧化还原活性电对,该活性电对既是电化学活性组分,又属于电解液的一部分。考察了该对称电容器在含不同浓度Fe~(3+)/Fe~(2+)活性电对条件下氧化还原电解液中的电容行为。电化学测试结果表明,当Fe~(3+)/Fe~(2+)活性电对的浓度为0.8M时,电容器的质量比电容最为优异。在1 M H_2SO_4+0.8 M Fe~(3+)/Fe~(2+)氧化还原电解液中,电容器在电流密度为2 A g~(-1)的质量比电容是H_2SO_4电解液中质量比电容的近三倍。当功率密度为774Wkg~(-1)时,电容器能量密度高达22.1Wh kg~(-1)。此外,该对称电容器循环稳定性优异,电流密度为5 A g~(-1)条件下连续循环10000圈后的电容保持率为93%,循环前后花状PANI电极材料的结构和形貌保持良好。同时,该氧化还原电解液也能有效提高RGO双电层对称电容器的电容性能。氧化还原电解质的应用为提高超级电容器电容性能提供了有前景的新途径。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM53

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