聚苯胺/类石墨烯结构无机物复合材料的制备及其电化学性能研究

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导电聚合物作为超级电容器的电极材料,由于其独特的结构,大的理论比电容,良好的导电性,环境稳定性和低成本的优点,近年来已成为一个重要研究领域。导电聚合物主要包括聚吡咯,聚苯胺,聚噻吩以及一些聚合物衍生物。导电聚合物的比电容高,但是在充放电过程中导电聚合物由于离子嵌入导致体积收缩和膨胀,很大程度的降低反应的可逆性和稳定性导致其循环性能较差,是成为了电聚合物单独用作超级电容器电极材料的障碍。在聚合物中掺杂无机物作为填料制备的导电聚合物/无机物纳米复合材料作为电化学电容器材料时不仅具有各自组分电容特性的累加,而且无机组分往往可以起到骨架支撑,增大材料比表面积,组分间的协同作用也是的复合物的电容性质增强的因素之一。因此,制备基于导电聚合物的复合材料并进行电化学性能的研究是目前超级电容器电极材料研究的重要发展方向。在众多聚合物中由廉价的苯胺为原料合成的PANI由于合成简便,具有良好的化学稳定性,导电性高,具有赝电容储能特性,但是PANI存在循环稳定性较差,对温度的依赖性较强等缺点。因此本课题组对聚苯胺/类石墨烯无机物二元甚至三元复合材料进行了深入研究。(1)以新型零维碳家族成员—碳点(CDs)为原料,通过原位聚合成功制备的CDs/PANI复合材料。SEM和TEM结果表明,PANI纳米纤维和CDs相互缠绕在一起。电化学研究结果表明CDs/PANI复合电极材料比PANI具有更好的电导率和电容特性。在1mol/LH2SO4电解液中当电流密度为2A/g时,6%CDs/PANI复合材料的比电容在1000次测试循环过程中达到1070 F/g的平均值,这远高于纯聚苯胺的比电容460F/g。表明适量的CDs的掺入有助于改善PANI的电化学电容。(2)首先高温固相硫化法制备了结晶性好的MoS2,再通过原位聚合法成功制备PANI与MoS2摩尔比不同的PANI/MoS2二元复合材料。电化学研究表明PANI与MoS2的摩尔比为1:0.1时的PANI/MoS2二元复合物电极材料比纯PANI具有更好的电容特性。在不同电流密度下该比例的二元复合物比电容明显高于纯聚苯胺,在1A/g时PANI:MoS2=1:0.1的二元复合物的比电容值可达955.8F/g,相比于同电流密度下的PANI的385.7F/g的高出一倍。表明适量的MoS2的掺入有助于提高PANI电极材料的电化学电容特性。(3)首先采用高温固相硫化法制备了结晶性好的WS2,成功制备了CDs/PANI/WS2三元复合材料,该三元复合物电极材料比纯PANI具有更好的电容特性。在不同电流密度下该比例的三元复合物比电容明显高于纯聚苯胺,在1A/g时CDs/PANI/WS2三元复合物的比电容值可达1108.7F/g,相比于同电流密度下的PANI的392.7F/g的高出两倍。
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