聚苯胺基电极材料的制备及其超级电容特性研究

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超级电容器,又称电化学电容器或者赝电容器,是一种性能介于传统电容器和化学电池之间的新型储能元件,因其具有低内阻、快速充放电、高功率密度、高能量密度和长循环寿命等特点而引起了研究学者的广泛关注。众所周知,电极材料是影响超级电容器性能的关键因素,其正成为目前超级电容器研究的热点。超级电容器用电极材料主要包括炭材料、金属氧化物材料和导电聚合物等。在众多导电聚合物中,聚苯胺(PANI)以其易于制备、价格低廉、高比容量、化学稳定性好以及它独特的质子酸掺杂机制等优点,成为首选的超级电容器聚合物电极材料。然而超级电容器用PANI电极材料的导电性和循环寿命都不很理想,这是制约PANI材料发展的重要因素。因此本文以制备具有高导电率和良好的循环寿命的PANI基材料为主要实验目标,通过控制反应温度条件,用化学氧化聚合法制备了不同形貌PANI材料;利用静电纺丝技术制备了PANI基含氮炭材料。并且探讨了不同反应条件对PANI材料及PANI基含氮炭材料的物理结构及其作为超级电容器电极材料的电化学性能影响。主要研究内容如下:(1)以水杨酸(SA)为掺杂剂,过硫酸铵(APS)为引发剂,通过控制反应温度用化学氧化聚合方法制备了不同形貌的PANI材料,通过扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)等测试手段考察了PANI的形貌结构。研究结果表明聚合反应过程中温度的改变会对PANI形貌产生较大的影响。电化学性能最好的为管状PANI,其在1.0mol L-1H2SO4电解液中,5mA放电电流下,首次充放电比电容达300F g-1,500次循环后其容量保持率为75%。其结果表明反应温度对材料的循环寿命有较大的影响。(2)将上述合成的PANI材料,与聚丙烯纤维(PAN)共混,通过静电纺丝技术制备成PANI/PAN纳米纤维,然后碳化、活化成为PANI基含氮活性炭材料。通过SEM、XRD和氮气吸脱附等测试手段考察了合成材料的形貌结构,并对材料进行了电化学测试。结果表明当ZnCl2与炭材料的质量为4:1时,在1.0mol L-1H2SO4电解液中,1A g-1电流密度下,PANI电容器首次充放电比电容达220F g-1,2000次循环后其容量保持率为98.2%,显示出所制备材料的良好电化学性能。(3)以苯胺(An)、二氧化锰(MnO2)为原料,APS为氧化剂,采用化学氧化聚合法合成了MnO2/PANI复合材料。通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等测试技术研究其电化学电容行为。结果表明,MnO2/PANI电极表现出比PANI更优良的电化学电容行为,在5mA放电电流下,MnO2/PANI组装的电容器首次充放电比电容可达291F g-1,1000次循环容量保持率为62%,这说明了MnO2的存在提高了复合材料的循环寿命。
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