收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

聚苯胺基高性能超级电容器复合电极材料的结构设计、调控及构性关系

王辉辉  
【摘要】:随着全球气候变暖、臭氧层破坏、雾霾等环境问题的日益加剧以及化石能源消耗问题的日益严峻,亟待研究并应用新型、高效的能量存储与转化装置。超级电容器(暨电化学电容器)与电池相比具有更高的功率密度;与传统电容器相比具有更高的能量密度。其具有循环使用寿命长、可靠性高、充放电速度快、环境友好等优势。为了最大限度的发挥超级电容器的优势,作为其重要组成部分的电解质与电极材料成为当前研究的热点。针对电极材料的研究,目前主要集中于研究以碳材料为主的双电层电容材料及以过渡金属氧化物、导电聚合物为主的赝电容材料。导电聚合物聚苯胺由于其具有易于合成、高掺杂率、高导电性、高的理论比电容以及环境友好等优势而被广泛研究,但其主要缺点是循环稳定性较差,这主要是因为聚苯胺在充放电过程中,反复的掺杂与脱掺杂使其体积反复膨胀与收缩,致使其机械结构被破坏,直接导致的结果就是聚苯胺在应用于超级电容器电极材料时具有较差的循环稳定性。聚苯胺用于超级电容器电极材料的另一缺点是其实际比电容值(主要取决于材料与电解液的接触情况)与理论值相去甚远。本论文针对聚苯胺用于超级电容器电极材料时循环稳定性差及比电容值较小的问题,从材料复合及微观结构设计角度做了以下研究:一、使用简单一步水热法合成的刺猬状介孔二氧化钛纳米球作为支撑材料,通过使用硅烷偶联剂在其表面原位聚合聚苯胺合成了刺猬状介孔二氧化钛纳米球/聚苯胺(UMTS/PANI)纳米复合物。SEM与XRD等结构分析测试结果表明:聚苯胺组装在刺猬状介孔二氧化钛球的周围,与内核纳米球有着紧密的作用,作为支撑材料的高比表面积的刺猬状介孔二氧化钛球不仅提高了聚苯胺与电解液的接触面积,而且协同硅烷偶联剂对聚苯胺的结构进行了加固。电化学测试进一步表明:由于材料使用高比表面积的支撑材料并采用了独特的结构设计,所得复合物具有优异的电化学性能,如良好的循环稳定性(在7 A g~(-1)的电流密度下连续充放500次后比电容值几乎没有损失)、高的比电容值(在0.7 A g~(-1)的电流密度下,复合材料的比电容值为422 F g~(-1))。二、针对上述研究中使用的高比表面积刺猬状介孔二氧化钛纳米球导电性较差的问题。在上述研究工作的基础上进一步对复合材料的内核进行了改进,将二氧化钛纳米球在氨气的气氛下进行氮化,能量色散面谱图显示氮化后的纳米球N元素分布均匀,同时X射线衍射结果表明二氧化钛纳米球已被完全氮化为氮化钛纳米球,SEM、TEM及BET分析测试结果显示氮化后的纳米球为分级多孔球(中空,表面由许多小片组成,形成许多孔),同时仍具有较高的比表面积。与氮化之前的刺猬状介孔二氧化钛球相比,氮化后的分级多孔氮化钛球具有孔径分布多样及导电性好等优势。随后使用硅烷偶联剂原位聚合的方法在其表面组装了聚苯胺,获得了分级多孔氮化钛球/聚苯胺(HPTNS/PANI)纳米复合材料。电化学测试证实该材料具有良好的电化学性能(在0.5 A g~(-1)电流密度下其比电容值可以达到530.8 F g~(-1))。三、研究一中使用硅烷偶联剂虽然提高了材料的循环稳定性,但硅烷偶联剂固有的导电性差的问题会限制材料的电化学性能。本研究从微观结构设计的角度限制充放电过程中聚苯胺体积的膨胀与收缩以提高其循环稳定性,旨在提高材料循环稳定性的同时提高材料的电化学性能。本研究首先在不使用硅烷偶联剂的情况下在刺猬状二氧化钛球表面原位聚合聚苯胺,接着利用聚苯胺带正电荷,氧化石墨烯带有负电荷的特性将上述二元复合材料通过静电作用插层于氧化石墨烯层间,最后将氧化石墨烯还原为石墨烯制得了刺猬状介孔二氧化钛球/聚苯胺/还原氧化石墨烯(UMTS/PANI/RGO)三元复合材料。该材料具有良好的循环稳定性的同时亦具有较高的比电容值,是一种理想的电化学能量存储装置电极材料。四、针对研究三中使用的石墨烯虽然具有独特的优势,但合成工艺较为复杂的问题,本研究在材料的制备过程中使用了石墨烯的替代物——类石墨烯的二硫化钼。该研究首先为了使得聚苯胺能够与电解液进行尽可能充分的接触,使用二氧化硅纳米球为模板合成了大孔聚苯胺纳米棒,紧接着利用四硫代钼酸铵与聚苯胺间的氧化还原作用,一步将类石墨烯的花状二硫化钼包覆于大孔聚苯胺纳米棒周围,获得了大孔聚苯胺纳米棒@二硫化钼(MPN@Mo S_2)纳米复合物。结构测试表明合成的结构简单稳定,电化学测试进一步表明材料的电化学性能优良(在0.5 A g~(-1)的电流密度下MPN@Mo S_2纳米复合物的比电容值高达602.9 F g~(-1),在2000次充放电后,该纳米复合物的比电容值仅仅损失了13.3%)。所有结果表明该复合物是一种理想的超级电容器电极材料。五、在上述研究的基础上,本研究使用了新型的高比表面积的分级多孔二氧化钛微球作为支撑材料,通过使用硅烷偶联剂在其表面原位聚合聚苯胺合成了分级多孔二氧化钛微球/聚苯胺复合物,接着采用了简单的部分刻蚀策略——使用HF部分蚀刻模板制得聚苯胺/HF部分刻蚀分级多孔二氧化钛微球(PANI/F-HPTM)复合材料,巧妙的部分刻蚀策略不仅使得材料的电化学性能进一步提高,同时保证了支撑材料独特形貌优势的发挥及对聚苯胺结构的加固作用。电化学测试表明制备的PANI/F-HPTM复合物具有高的比电容值及良好的循环稳定性。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前16条
1 季辰辰;米红宇;杨生春;;超级电容器在器件设计以及材料合成的研究进展[J];科学通报;2019年01期
2 余凡;熊芯;李艾华;胡思前;朱天容;刘芸;;金属-有机框架作为超级电容器电极材料研究的综合性实验设计[J];化学教育(中英文);2019年02期
3 摆玉龙;;超级电容器电极材料的研究进展[J];新疆化工;2011年03期
4 ;中科院合肥物质科学研究院石墨烯基超级电容器研制成功[J];中国建材资讯;2017年04期
5 林旷野;刘文;陈雪峰;;超级电容器隔膜及其研究进展[J];中国造纸;2018年12期
6 程锦;;超级电容器及其电极材料研究进展[J];电池工业;2018年05期
7 曾进辉;段斌;刘秋宏;蔡希晨;吴费祥;赵盼瑶;;超级电容器参数测试与特性研究[J];电子产品世界;2018年12期
8 刘永坤;姚菊明;卢秋玲;黄铮;江国华;;碳纤维基柔性超级电容器电极材料的应用进展[J];储能科学与技术;2019年01期
9 郑超;李林艳;陈雪丹;于学文;顾应展;吴奕环;丁升;潘国林;周洲;刘秋香;陈宽;袁峻;杨斌;乔志军;傅冠生;阮殿波;;超级电容器百篇论文点评(2017.7.1—2017.12.15)[J];储能科学与技术;2018年01期
10 余勇;孙士斌;;微型超级电容器的3D打印制备方法[J];时代汽车;2018年07期
11 张莉;时红雷;;超级电容器的老化趋势分析[J];电子测量与仪器学报;2018年07期
12 陆志峰;胡国文;林萍;李祥;;超级电容器均压装置的设计[J];电源技术;2018年07期
13 凌云;刘世平;;超级电容器在物理实验教学中的应用[J];教学仪器与实验;2011年03期
14 丰骏;朱云松;丁晓峰;;浅析超级电容器的应用及发展趋势[J];山东工业技术;2018年24期
15 ;超级电容器改革,电动车有望实现“秒充”[J];重型汽车;2016年06期
16 吕晓静;朱平;;微型超级电容器的电化学阻抗谱分析[J];微纳电子技术;2017年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 代杰;汪汇源;谭堾予;隋刚;杨小平;;二硫化钼/中空碳球复合材料的制备及其在超级电容器中的应用[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题I:能源高分子[C];2017年
2 时志强;;开启电力能量储存与利用的新时代?——超级电容器技术与应用进展[A];2018电力电工装备暨新能源应用技术发展论坛报告集[C];2018年
3 马衍伟;张熊;孙现众;王凯;;高性能超级电容器及其电极材料的研究[A];第三届全国储能科学与技术大会摘要集[C];2016年
4 邱介山;于畅;杨卷;;超级电容器用功能二维纳米碳材料的合成及功能化[A];第三届全国储能科学与技术大会摘要集[C];2016年
5 孟月娜;武四新;;高倍率性的碳纳米管基柔性超级电容器电极[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十九分会:电化学材料[C];2016年
6 潘伟;薛冬峰;;铁基超级电容器[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第四十二分会:能源纳米材料物理化学[C];2016年
7 王凯;张熊;孙现众;马衍伟;;柔性固态超级电容器:从材料设计到器件制备[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第四十一分会:纳米材料与器件[C];2016年
8 娄正;沈国震;;柔性芯片超级电容器的设计及其在传感系统中的应用[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第四十一分会:纳米材料与器件[C];2016年
9 高书燕;万岁阁;魏先军;;自组装法制备超亲水氮掺杂碳凝胶超级电容器电极材料[A];第七届全国物理无机化学学术会议论文集[C];2016年
10 张晓芳;张伟;卢灿辉;;基于纳米纤维素的N-掺杂碳质气凝胶超级电容器的制备及应用研究[A];2016年全国高分子材料科学与工程研讨会论文摘要集[C];2016年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 熊前程;醋酸纤维多孔复合材料的制备及其基础研究[D];西北大学;2018年
2 张效敏;离子液体膜在酸性气体分离与柔性超级电容器中的应用基础研究[D];南京大学;2018年
3 项坤;二维金属氧化物基纳米材料的设计合成及其在能源存储与转换中的应用[D];南京大学;2017年
4 王文杰;长链非编码RNAs对结直肠癌、宫颈癌的诊断及功能研究[D];北京协和医学院;2018年
5 郭凤梅;碳纳米管宏观体在能源及传感领域的应用研究[D];清华大学;2016年
6 杨萍萍;高效纳米结构电极的构建及其超级电容增强机制研究[D];西南大学;2018年
7 董留兵;3D碳网络/高载量活性物质复合柔性电极及其超电容性能[D];清华大学;2017年
8 王广宁;多酸基配位聚合物超级电容器电极材料的制备及性能研究[D];哈尔滨理工大学;2018年
9 马丽娜;细菌纤维素基柔性超级电容器电极的制备与性能研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
10 欧阳田;碳材料的盐辅助制备及其超级电容性能研究[D];哈尔滨工程大学;2018年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈达明;聚丙烯腈基碳材料的制备及其电化学性质研究[D];上海应用技术大学;2018年
2 王东华;煤沥青基多孔碳纳米材料的可控制备及其电化学性能研究[D];中北大学;2018年
3 郝晓东;基于生物质制备杂原子掺杂多孔碳材料及超级电容器性能研究[D];南京航空航天大学;2018年
4 王晓丹;生物质碳材料制备及性能研究[D];山东建筑大学;2018年
5 赵铭;自支撑碳基/过渡金属氧化物复合电极及其全固态超级电容器的研究[D];南京航空航天大学;2018年
6 谭玉琪;石墨烯/TiO_2复合材料在超级电容器中的性能研究[D];东北林业大学;2018年
7 陈悦;超级电容器等效串联内阻模型的建立与实验验证[D];南京航空航天大学;2018年
8 薛菲;基于金属氧化物纳米材料的非对称超级电容器设计、组装及其性能研究[D];济南大学;2018年
9 刘凤;镍、锰氧化物纳米材料超级电容性能的研究[D];济南大学;2018年
10 闫珊;掺杂C、S金属氧化物的制备以及在超级电容器中的应用[D];温州大学;2018年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 来莅;中国超级电容器技术及产业国际论坛在北海举行[N];北海日报;2019年
2 山科;煤基电容炭有望规模化生产[N];中国化工报;2014年
3 实习生 邱锐;碳纳米管超级电容器问世[N];中国科学报;2012年
4 本报记者 李东慧;我市将建超级电容器研发中心 多个住宅项目坚持新中式风貌[N];洛阳日报;2018年
5 湖北 朱少华 编译;一款双向DC/DC稳压器和超级电容器充电器电路[N];电子报;2017年
6 记者 杨红卫;河南瑞贝卡集团与天一航天科技公司超级电容器项目合作签约仪式举行[N];许昌日报;2017年
7 记者 夏文燕 通讯员 代成;超级电容器有望得到广泛应用[N];江苏科技报;2016年
8 见习记者 白明琴;超级电容器市场趋热[N];中国电力报;2016年
9 杨德印 摘编;超级电容器简介[N];电子报;2016年
10 西江日报记者 刘亮 实习生 赖映平;超级电容器1分钟可完成充电[N];西江日报;2016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
  • 010-62982499
  • 010-62783978