金屬氧化物-聚苯胺-碳材料三元復合材料的構建及其在超級電容器中的應用.pdf

1、超級電容器(Supercapacitor)是一種新型的儲能裝置，與傳統(tǒng)的電容器相比，它具有高能量密度、高功率密度和循環(huán)壽命長等特點;與鋰離子二次電池相比，它具有更高的能量密度和功率密度。在電子通訊、電動汽車以及航空航天等國防科技等領域具有廣泛的應用。超級電容器常用的電極材料主要有:碳基材料、金屬氧化物和導電聚合物。本文采用兩步法合成金屬氧化物/聚苯胺/碳基三元復合材料，并通過透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、X-射線衍射(XRD)

2、、紅外光譜(FT-IR)、紫外-可見光譜(UV-vis)和拉曼光譜(Raman)等檢測手段對其進行結構表征，采用循環(huán)伏安(CV)、恒電流充放電(GCD)和交流阻抗(EIS)等電化學檢測手段，進一步研究了三種電極材料的電容特性，主要內容如下:
　　(1)采用兩步法制備出一種三元同軸二氧化錳/聚苯胺/多壁碳納米管(MnO2/PANI/MWCNT)納米纖維。首先，在多壁碳納米管(MWCNT)表面原位氧化聚合負載聚苯胺，得到PANI/MW

3、CNT復合材料;其次，在室溫下，將KMnO4溶液與PANI/MWCNT混合反應，得到三元同軸MnO2/PANI/MWCNT納米纖維。通過循環(huán)伏安(CV)、恒電流充放電測試以及交流阻抗(EIS)等測試方法，探究三元同軸MnO2/PANI/MWCNT納米材料的電化學性能。結果表明，該活性材料具有出法拉第贗電容的特性。對比MWCNT，PANI納米線、PANI/MWCNT以及MnO2/PANI/MWCNT復合納米纖維的電化學性能，可知三元同軸M

4、nO2/PANI/MWCNT納米纖維具有最大的比電容，當電流密度為1A·g-1時，其比電容為348.5F·g-1，恒電流充放電2000次之后，其容量仍保持在起始容量的88.2％。電化學性能測試結果表明，在MWCNT表面負載PANI層和MnO2薄層，MnO2薄層在PANI表面原位生長，不僅能有效地保護PANI層的結構，而且能夠增大的材料的比容量，延長復合材料的循環(huán)壽命。因此，本文制備的三元同軸納米結構的MnO2/PANI/MWCNT納米纖

5、維是一種優(yōu)異的超級電容器電極材料，有利于開發(fā)新型的輕便的儲能設備。
　　(2)采用兩步法制備出一種三明治層狀MnO2/PANI/RGO納米片。首先，采用原位聚合的方法將聚苯胺負載在還原石墨烯(RGO)表面，得到PANI/RGO復合納米片，在室溫下，將KMnO4溶液與PANI/RGO混合反應，可得到三明治層狀MnO2/PANI/RGO納米片。對比各電極材料(RGO、PANI、PANI/RGO和MnO2/PANI/RGO)的比電容，可

6、以發(fā)現(xiàn)三明治層狀MnO2/PANI/RGO納米片的比電容最大。當電流密度為0.5A·g-1時，MnO2/PANI/RGO的比電容可達到1090.2F·g-1。當電流密度為1A·g-1時，恒電流充放電2000次之后，其容量仍保持在起始容量的86.1％。作為超級電容器的電極材料，三明治層狀MnO2/PANI/RGO納米片的比電容較大，循環(huán)壽命持久。
　　(3)采用兩步法制備出三元復合材料Fe2O3/PANI/RGO納米片。首先，在還原

7、石墨烯(RGO)表面進行原位氧化聚合負載聚苯胺，得到PANI/RGO混合納米片，然后，在常溫下，以K2FeO4為鐵源，將K2FeO4與PANI/RGO按一定的質量比混合攪拌反應，即可得到Fe2O3/PANI/RGO三元復合材料。對所制得的復合材料進行結構表征，實驗結果顯示，PANI可以在原位還原FeO42-得到Fe2O3納米粒子，從而得到Fe2O3/PANI/RGO三元復合材料。電化學性能測試表明Fe2O3/PANI/RGO三元復合材料