聚苯胺基炭材料的制備及其電化學性能研究.pdf

1、伴隨著化石燃料的消耗，能源儲量的日益枯竭，環(huán)境污染成為越來越嚴重的問題。我們必須尋找清潔、綠色、可再生能源，以確保經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。近些年來，區(qū)別于傳統(tǒng)能源材料的儲能材料已經開始應用新型的儲能設備（如鋰離子二次電池、超級電容器、太陽能電池）。鋰離子二次電池和超級電容器作為新型的儲能設備，廣泛應用到便攜式電器如手機和筆記本電腦，發(fā)電站和電動汽車。儲能設備的性能取決于電極材料。在不同電極材料中，炭材料因其儲量豐富，高的比表面積、導電性

2、和化學穩(wěn)定性等優(yōu)勢受到廣泛關注。
　　超級電容器用的炭電極材料的儲能機理是雙電層儲能機理，但是雙電層儲能機理所獲得的容量不足以滿足現(xiàn)代社會的需要。到目前為止，為了解決這一問題，研究者嘗試了許多方法。在炭材料中引入贗電容被認為是一種有效的方法，所獲得的材料同時具備贗電容和雙電層電容的優(yōu)點。聚苯胺制備簡單，對環(huán)境友好，并且具有高的氮炭比值(0.167)，因此被認為是最具有潛力的制備摻雜炭材料的前驅體。聚苯胺作為一種贗電容電極材料，在充

3、放電過程中會發(fā)生可逆的氧化還原反應，這個過程中會導致材料體積的嚴重變化，影響其倍率性能和循環(huán)壽命，聚苯胺的導電性也會影響其儲能性質。將聚苯胺與炭基材料進行復合，可以改善材料的導電性并且提高電容性能。
　　本文研究圍繞聚苯胺進行，分別制備了以聚苯胺為前驅體的摻雜炭材料和聚苯胺/炭復合材料。通過一系列的測試手段，探究了摻雜炭材料形貌、表面官能團、孔結構等對其電化學性能的影響，為高性能電極材料的制備提供可行的思路。
　　采用氧化法

4、，制備聚苯胺納米管，對所得的聚苯胺納米管進行炭化活化處理。所得的活性碳管具有很高的比表面積(2979m2 g-1)和氧含量(15.72 at％)，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，0.1Ag-1的電流密度下獲得468Fg-1的容量，甚至在10Ag-1的電流密度下依然可以獲得327Fg-1的容量，同時具有良好的倍率性能和循環(huán)壽命。為了研究材料中含氧官能團對電容性能的影響，對所得樣品進行還原處理，將還原前后樣品進行對比。推斷吡咯氮(N-5)、吡啶型氮

5、(N-6)和醌型C=O可以提供贗電容而對超級電容器容量有貢獻。
　　采用水熱法，通過一步反應制得具有空心結構的聚苯胺納米球。將所得聚苯胺納米球在不同溫度下進行炭化處理，700℃炭化得到的空心炭球比表面積為251m2 g-1，氮元素的含量為7.3at％，氧含量為9.3at％，表現(xiàn)出優(yōu)異電容性能，在0.2A g-1的電流密度下容量為241F g-1，在大電流10A g-1電流密度下的容量仍有120F g-1。優(yōu)秀的電化學性能可以歸因于

6、雜原子摻雜和空心結構。含氧和含氮的官能團不僅可以提高電極材料浸潤性，也通過引入贗電容提高了電容性能。獨特的空心結構提供了高的比表面積，縮短電荷傳輸擴散路徑，利于倍率性能的提高。
　　為了獲得更大的比表面積，將所得的空心炭球進行活化處理可以得到多孔空心炭球，活化所得的多孔空心炭球具有高的比表面積(大于1700m2g-1)。具有球形形貌的炭材料應用于鋰離子二次電池時，堆積密度大、可提高電極能量密度，并且球形結構有利于鋰離子從各個方向脫

7、嵌，減小固相擴散電阻，中空結構通常比實心結構具有更好的倍率性能。將所得的多孔炭球應用于鋰離子二次電池，在50mA g-1的電流密度下獲得1004mAhg-1的可逆容量，尤其是在大電流下3Ag-1，獲得325mAh g-1的可逆容量。
　　通過原位聚合的方法，制備了一種聚苯胺/多孔空心炭球復合材料應用于超級電容器。多孔空心炭球采用聚苯胺為前驅體通過炭化活化處理獲得。和傳統(tǒng)的活性炭相比，多孔空心炭球具有獨特的納米結構。研究了聚苯胺在多

8、孔空心炭球上的負載量對復合材料形貌和電化學性能的影響。當苯胺單體和多孔空心炭球的質量比為2∶1時，復合材料獲得最佳的電化學性能。在0.1Ag-1的電流密度下，具有559F g-1比容量，在大電流5Ag-1的電流密度下獲得386F g-1的比容量.
　　采用水/N，N二甲基甲酰胺體系，原位聚合的方法制備了一種銀耳狀石墨烯/聚苯胺復合材料。研究了聚苯胺負載量對復合材料形貌和電化學性能的影響。當苯胺單體和石墨烯質量比10∶1時，可以獲得