聚苯胺-石墨烯基復(fù)合物的可控制備及其電化學(xué)電容性質(zhì).pdf

1、超級電容器兼具傳統(tǒng)電容器的高功率密度和電池的高能量密度的優(yōu)點，是一種新型儲能器件。根據(jù)其儲能機理可以分為雙電層型和贗電容型。碳材料、金屬氧化物、導(dǎo)電高分子及其復(fù)合物是常用的構(gòu)筑超級電容器的電極材料。
　　聚苯胺作為一種導(dǎo)電高分子具有化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低廉、獨特的摻雜/脫摻雜性質(zhì)，常在超級電容器材料中得到使用。聚苯胺有多種氧化狀態(tài)，理論電容值高（在硫酸介質(zhì)中高達(dá)2000Fg-1），可以提供很高的贗電容，然而聚苯胺本身的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定

2、性不佳，電導(dǎo)率低。研究證明與碳材料的復(fù)合可以改善聚苯胺電化學(xué)電容行為。石墨烯是目前新興的一種碳材料，具有巨大的比表面積、較高的電導(dǎo)率、優(yōu)異的機械性能，是一種性能優(yōu)良的贗電容材料的支撐材料。單獨的石墨烯的功率密度高、穩(wěn)定性能好，但比電容值和能量密度低，為得到高能量密度和高功率密度的超級電容器電極材料，可以將石墨烯與贗電容材料復(fù)合。石墨烯的化學(xué)狀態(tài)及復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)對電化學(xué)電容性能有極大的影響，本文針對這些問題進(jìn)行研究：采用控制成核位點法制備

3、均勻形貌的聚苯胺/氧化石墨烯復(fù)合物；調(diào)控石墨烯的還原程度以便得到最優(yōu)電化學(xué)性能的復(fù)合物；構(gòu)建聚苯胺/石墨烯/碳納米管三維多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合物，提高在快速充放電時的比電容值及降低電極材料的內(nèi)阻。
　　采用原位聚合法制備均勻形貌聚苯胺/氧化石墨烯復(fù)合物：苯胺吸附到氧化石墨烯表面后將向其表面轉(zhuǎn)移氨基的孤對電子，豐富氧化石墨烯表面的電子密度，增強電子流動性。由富電子的氧化石墨烯活化H2O2產(chǎn)生的·OH將氧化聚合苯胺，因此苯胺聚合只能發(fā)生在氧化石

4、墨烯表面及附近，而本體溶液中聚合生成聚苯胺納米纖維將被抑制，保證復(fù)合材料的均勻性。SEM表征證明聚苯胺以納米顆粒形式在氧化石墨烯表面均勻沉積。苯胺與氧化石墨烯的投加質(zhì)量比影響聚苯胺的沉積量以及復(fù)合物的比電容值。當(dāng)苯胺與氧化石墨烯的加入比例為30時（GP30），沉積量和比電容值最大。而傳統(tǒng)方法制備的聚苯胺/氧化石墨烯（GPC）中，聚苯胺不但以納米顆粒形式在氧化石墨烯表面沉積，且以納米纖維形式在本體溶液中生成。GP30的比電容值達(dá)到797F

5、 g-1，其內(nèi)阻小于PANI和GPC的內(nèi)阻。在循環(huán)500次之后，比電容值增加18％，而PANI以及GPC的比電容值隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低。
　　以葡萄糖和氨水為還原劑，通過控制還原時間得到不同還原程度的石墨烯（RGO），還原時間選擇0、30、60及120min。采用XPS、FTIR、Raman、EIS對不同還原程度的石墨烯進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。XPS、FTIR結(jié)果表明，隨還原時間的增加，石墨烯表面的含氧官能團(tuán)逐漸減少；Raman結(jié)果發(fā)現(xiàn)，

6、ID/IG比值隨還原時間的增加而增加，表明石墨烯結(jié)構(gòu)的缺陷增加；EIS結(jié)果證明石墨烯的電導(dǎo)率隨還原時間而增加。對石墨烯進(jìn)行靜置存儲發(fā)現(xiàn)，過度還原（120min）導(dǎo)致石墨烯團(tuán)聚，親水性變差。通過原位聚合法制備聚苯胺/石墨烯系列復(fù)合物，對其進(jìn)行電化學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)隨還原時間的增加，比電容先增加后降低，當(dāng)還原時間為60min時，復(fù)合物的比電容值最高。研究了苯胺投加濃度的影響，濃度分別為0.01、0.025及0.05mol L-1，元素分析證實

7、石墨烯表面沉積的聚苯胺量隨苯胺投加濃度增大而增多。在低掃描速度時，隨苯胺濃度的增加，復(fù)合物的比電容值隨苯胺濃度增加而增加。而在高掃描速度時，比電容值下降速度隨苯胺投加濃度增加而增大。
　　采用原位聚合法制備聚苯胺/石墨烯/碳納米管（PANI/RGO/CNTs）三維多孔復(fù)合物。SEM和TEM表征發(fā)現(xiàn)聚苯胺在石墨烯及碳納米管表面均勻沉積，PANI/CNTs插層于PANI/RGO片層間，連接孤立的PANI/RGO片層。PANI/CNTs