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《西北师范大学》 2017年
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离子液体/功能高分子复合材料的制备及其电容性能研究

樊玉霞  
【摘要】:超级电容器是当今电化学研究领域的一种新型储能器件,与传统的电池相比,它具有充电时间短、循环寿命长、环境友好、能量密度大等优点而备受广大研究者的关注。超级电容器又有双电层电容和赝电容之分,而影响二者电容性能的主要因素之一是电极材料。因此,设计高性能的电极材料已经成为广大科研人员关注的热点问题。碳材料因导电性好、导热性高、高的比表面积、可调的孔结构、良好的机械和热稳定性等优点引起研究者的关注。此外,导电聚合物有低成本,环境污染小,在掺杂状态下具有多孔性、高导电性、宽的电压窗口、大的存储容量、可逆性以及可调控性等优点,从而使其作为电容器的电极材料也备受人们瞩目。"绿色溶剂"离子液体有着独特的物理化学性能,如宽的电化学窗口,良好的导电和导热性,良好的透光性和高折射率,非挥发性,宽液程,可忽略的蒸气压、高热稳定性,选择溶解力与可设计性等特点而备受瞩目。本文基于咪唑类离子液设计并合成了几种纳米复合电极材料,且将它们用于超级电容器电化学性能的测试。所以,我们工作的主要目的是探究和开展离子液体在电化学电容器研究领域中的应用。论文的主要内容包括以下几个方面:1.本文综述了在绿色化学中有着极其重要地位的"绿色溶剂"离子液体的概念、分类及其在电化学方面的应用。此外,还对超级电容器的概念、分类以及影响其电容性能的因素进行阐述。2.制备了两种酸性离子液体,包括氯化1-乙烯基-3-羧甲基咪唑([VCMIm]Cl)离子液体、1-(4-磺酸)-丁基-3-乙烯基咪唑鎓硫酸氢盐([SBVIm][HSO_4])离子液体,用~1H NMR、~(13)C NMR对其结构进行了表征,并对其熔点进行了测定。3.分别以FeCl_3和离子液体做氧化剂和掺杂剂,采用原位聚合法,通过调节掺杂剂的种类、投料比以及氧化剂的用量,制备得到导电聚吡咯复合电极材料。然后对所制备的材料的微观结构和形貌进行了表征,并测试了材料在氯化钾电解质中的电化学性能。通过调节氧化剂的量和掺杂剂的量合成出性能良好的用于超级电容器的电极材料。实验发现,随着氧化剂浓度的增加比电容先增加后减小,当氧化剂与吡咯单体投料比为2:1时,所得到的聚吡咯(PPy)的比电容最高。同时,掺杂剂的浓度和种类对合成的PPy形貌和电化学性能有较大的影响,无掺杂剂的PPy得到的是平整的立方形状,用[VCMIm]Cl离子液体、[SBVIm][HSO_4]离子液体做掺杂剂分别得到纳米片状和球状。当[VCMIm]Cl离子液体做掺杂剂时,随着离子液体浓度的增加,其微观形貌逐渐由纳米棒状向纳米片状转化,且具有一定的规整度,但随着浓度的继续增加其形貌出现团聚。当[VCMIm]Cl与单体投料比为3:1时,达到的比电容最高(520 Fg~(-1)),800次循环以后比电容保持率为82%。当[SBVIm][HSO_4]离子液体做掺杂剂得到的比电容为306 Fg~(-1)。可以看出,它们的比电容均高于纯的聚吡咯(153 Fg~(-1))的比电容。4.首先经过简单的自由基聚合和离子交换等步骤合成聚离子液体,用~1H NMR、~(13)C NMR对合成的单体1-乙烯基-3-氰甲基咪唑溴(CMVImBr)和聚合物(PCMVIm-Tf_2N)进行了结构表征。然后采用无模板的方法,通过使用聚离子液体和羧甲基壳聚糖(CMCS)的复合物薄膜作前驱体,在不同温度下高温热解碳化,得到多孔的氮掺杂薄膜碳材料,测试所得到的碳材料具有较大的比表面积约和较高的含氮量。将碳材料用作超级电容器电极材料进行电化学性能测试,材料表现出较高的电容性能,在0.1 A g~(-1)的电流密度为下,材料所具有的比电容可达633 F g~(-1)好的循环稳定性,当在电流密度为3 A g~(-1)时,经过10000次的循环后,其比电容保持率几乎不变。
【学位授予单位】:西北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB33;TM53

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