聚苯胺因具有制备方式简单易行、掺杂/脱掺杂机制独特等特点,吸引了众多专家学者的目光,并且被广泛认定其具有非常远大的前景,特别是在超级电容器和电化学传感器这两大电化学体系的应用方面。然而,聚苯胺也存在一定的不足,如机械稳定性较差、导电性有限等等,这也限制了其在这两大电化学体系的应用。众所周知,这两种电化学体系的每一次进步均离不开电极材料与结构的改进。因此,针对不同电化学体系的特点和需要,将无机功能纳米材料与聚苯胺复合,设计具有不同结构的二元或者多元纳米复合材料,然后充分发挥各组分间的协同作用,对于电极材料的电化学性能具有相当大的提升。本论文基于聚苯胺与不同无机功能纳米材料采用不同的方法进行复合,在超级电容器和电化学传感器的电极材料方面开展创新研究:①在超级电容器领域,主要致力于以聚苯胺为主体,从结构设计出发,结合聚苯胺、一维多壁碳纳米管和二维层状材料(二硫化钼、石墨烯)各组分的优点,制备各项电化学性能有效增强的电极材料,系统地探究功能组分和制备方法对于复合物结构及其性能的影响,探究以聚苯胺为主体的纳米复合材料结构可控与性能提高的机理;同时,将所得三元纳米材料组装成对称的超级电容器器件来表征材料的实际应用能力。②为了充分利用聚苯胺的优势以及进一步拓宽聚苯胺在电化学传感器领域的应用,文章的后一部分主要利用聚苯胺可导电、表面活性位点多等优势将其作为负载材料,通过引入Ag-Pt双金属纳米粒子构建了一种对葡萄糖具有优良电催化作用的无酶传感器,并探究该传感器催化机理。本论文重点基于以下四个方面的内容开展研究:1)采用化学原位氧化聚合法使苯胺单体在多壁碳纳米管(MWCNTs)表面发生聚合,制得了具有核-壳(core-shell)结构的MWCNTs/PANI二元纳米复合物,并着手于该二元纳米复合物的微观形貌、结构成分及其电化学性能的一系列的表征研究。在复合物中,MWCNTs的引入不但起到支撑骨架和导电网络的作用,提高了 PANI的电化学性能,同时还提供了双电层电容。此外,通过改变苯胺单体与MWCNTs的投料质量比来调控PANI包裹层在MWCNTs表面包裹的厚度,探究包裹层的厚度对材料电化学电容性能的影响机制。实验中当苯胺单体添加量为0.3 g即m(anilne):mm(MWCNTs)=4.29时,得到MWCNTs/PANI纳米复合材料(MP-3)的比电容较高,为474.9 F g-1(0.5 A g-1),经过1000次充放电测试后的电容仍是原来的67.82%,纯PANI的电容是原来的48.97%,表明MWCNTs的加入可以提高PANI的电容性能和循环稳定性。2)为了进一步提高MWCNTs/PANI二元复合材料的电化学电容及其稳定性,通过多方面考虑,我们设计提出在PANI包裹层的外部引入具有层状结构的二硫化钼(MoS2),合成一种具有多级结构的三元纳米复合物作为电极材料应用于超级电容器方面。研究各组分的协同作用对于所合成纳米复合物的电化学性能的影响。改变合成MoS2的前躯体(钼酸铵和硫脲,m(钼酸铵):m(硫脲)=1.16)的添加量得到生长在MWCNTs/PANI表面的不同形貌的MoS2。当加入钼酸铵的量为0.1g即m(钼酸铵):m(MWCNTs/PANI)=3.33时,得到了电化学性能较好的纳米花状的MoS2生长在MWCNTs/PANI纳米茎上,该复合物(MPM-0.1)的比电容较高为542.56 Fg-1(0.5 A g-1),在经历了2000次的循环测试后,电容值仍有原来的74.25%。主要原因是形貌为纳米花状MoS2中片层之间较松散,有助于MoS2与电解液接触,为整个电极材料提供较大的双电层电容,同时这种结构没有阻碍PANI和H2SO4电解液之间质子和电子的传递,这可以使PANI产生较大法拉第赝电容。此外,MoS2适当地覆盖在MWCNTs/PANI的表面可以从外部抑制PANI包裹层体积的改变,从而使整个电极材料获得较好的循环稳定性。最后,将MPM-0.1纳米复合材料组装成对称的超级电容器器件并进行电化学表征。结果表明,此器件比电容处于0.5 A g-1测试条件下时为257.23 F g-1,经过2000次循环以后其比电容仍有初始的65.12%。3)引入了导电性能更好,比表面积更大,机械性能更稳定的石墨烯纳米片,通过修饰PSS得到带负电荷的PSS-GR纳米片,然后与带有正电荷的MWCNTs/PANI之间通过静电吸附作用构建一种具有三明治结构的MWCNTs/PANI/PSS-GR三元纳米复合材料作为超级电容器电极材料。探究石墨烯与MWCNTs、PANI三者之间相互协同作用对于电极材料电化学性能的影响,同时探究构建的三明治结构与复合过程中石墨烯添加量对此三元材料电化学电容性与稳定性的影响机制。测试结果表明,石墨烯纳米片的加入可以显著提高材料的比表面积从而提高电化学性能。当其它条件一定而添加20 mg石墨烯纳米片即[mm(石墨烯):m(MWCNTs/PANI)=0.4]时,所制备MPG20三元材料的有效比表面积可达50.25 m2g-1。同时其比电容值最高,在0.5 A g-1的电流密度下可达602.5 Fg-1,并且具有较好的循环稳定性,在2000次循环后的比电容仍保留初始值的78.32%。此种三明治结构能够有效阻止石墨烯纳米片堆叠,加之石墨烯的高导电性与大比表面积的鲜有优势,能够在明显提升其双电层电容值的同时,还可使其从外部抑制PANI在测试中体积的大小变化,从而提高材料的循环稳定性。而且,将MPG20用于组装成对称的超级电容器器件后,从两电极系统测试结果可分析出,此器件在0.5 A g-1电流密度下的比电容仍然高达332.5 F g-1。经过2000次充放电后,比电容值降为初始值的69.58%。此种三元复合物优异的性能使之有希望实际应用到超级电容器方面。4)通过化学共还原硝酸银和氯铂酸的方法将Ag-Pt双金属纳米粒子均匀负载到MWCNTs/PANI纳米纤维上,制得MWCNTs/PANI/Ag-Pt四元纳米复合物,然后使用其设计简易的无酶传感器,探究它的电化学传感性能及其对葡萄糖氧化的电催化行为,建立了检测葡萄糖的新方法。检测结果表明,利用其对葡萄糖进行电催化时,线性范围可达12μM～10.5mM,灵敏度是11.4μA mM-1,检测限低至7.6μM(S/N=3)。研究发现Ag纳米粒子地添加可以减少Pt的用量同时有效增强Pt的电催化活性。