基于石墨烯凝膠-聚苯胺納米纖維復(fù)合材料的電化學(xué)電容器.pdf

1、超級(jí)電容器（ultracapacitor）由于其具有超長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命、簡(jiǎn)單的操作機(jī)理，高動(dòng)態(tài)電荷的傳輸特點(diǎn)，以及它能夠提供優(yōu)于二次電池的超高功率密度，和優(yōu)于傳統(tǒng)電解質(zhì)電容器的超大能量密度。因此，受到來(lái)自眾多研究者的廣泛關(guān)注。石墨烯不僅具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu)，而且還具有高力學(xué)強(qiáng)度、優(yōu)異的導(dǎo)電性能以及巨大的理論比表面積等優(yōu)勢(shì)。其可以通過(guò)共價(jià)和非共價(jià)修飾兩種途徑，在石墨烯片層上修飾功能化分子，制備具有相應(yīng)功能的復(fù)合材料，發(fā)揮石墨烯和功能化分

2、子的雙重優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。而一維聚苯胺納米纖維不僅具有聚苯胺較高偽電容的特點(diǎn)，還具有納米材料所具有的獨(dú)特納米效應(yīng)。因此，基于上述兩點(diǎn)，本課題采用不同的制備方法將聚苯胺納米纖維修飾到石墨烯凝膠上，得到不同的石墨烯基復(fù)合電極材料-石墨烯凝膠/聚苯胺納米纖維復(fù)合物，并對(duì)兩種材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能以及形貌特征進(jìn)行了表征。結(jié)果如下：
　　（1）化學(xué)原位法。以石墨烯凝膠（GH）為基底材料，通過(guò)在真空弱酸性溶液中吸附苯胺單體，然后原位聚合

3、聚苯胺的方法制備得到復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)中改變反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，得到聚苯胺形貌、負(fù)載量不同的復(fù)合材料。在冰浴條件，聚合時(shí)間為12 h時(shí)，得到的BGH/PANI12樣品綜合性能最佳。BGH/PANI12在充放電速率為2 A/g時(shí)，比電容最高能夠達(dá)到620F/g；當(dāng)充放電速率由0.5 A/g增大到100A/g時(shí)，BGH/PANI12電容保持率為72％。在2 A/g下，進(jìn)行1000圈循環(huán)充放電BGH/PANI12比電容能夠保持為原來(lái)的84%。基于

4、BGH/PANI12材料，自制的非對(duì)稱電容器器件能夠?yàn)楣ぷ麟妷簽?.5 V左右的Led小燈提供足夠的電能，維持其發(fā)光2 min。BGH/PANI12電化學(xué)性能如此突出，這主要是源于復(fù)合材料獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)，針狀聚苯胺納米纖維在石墨烯凝膠上有序規(guī)則的負(fù)載不僅增大了復(fù)合材料的比表面積，而且復(fù)合材料獨(dú)特的三維多孔結(jié)構(gòu)使電極材料同時(shí)具有較高的導(dǎo)電性、較好的充放電穩(wěn)定性能以及較高的能量和功率密度。
　?。?）電位脈沖法。以石墨烯凝膠（GH）為基

5、底材料,利用脈沖電位法聚合聚苯胺，在凝膠壁上制備得到具有一維納米結(jié)構(gòu)的聚苯胺纖維。通過(guò)控制聚合反應(yīng)中脈沖循環(huán)周期，改變聚苯胺的形貌、分布和負(fù)載量等。通過(guò)電化學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：GH/PANI300充放電速率為1.7 A/g時(shí)，比電容達(dá)到734 F/g；當(dāng)電流密度增大到100 A/g時(shí)，比電容保持率為72%。在4 A/g的充放電速率下，經(jīng)過(guò)1000圈循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，其電容量保持率維持在83%。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及電化學(xué)性能的分析，