聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及其电容性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xrzs011
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高性能超级电容器的发展主要依赖于高活性电极材料的研发,聚苯胺(PANI)在诸多导电聚合物中理论比电容最大,拥有良好的稳定性,材料易于合成、生产成本低,因此PANI被认为是最具前景的导电聚合物。然而,PANI作为电极材料时实际比电容较低、循环性能差的缺陷阻碍了其商业化进程,基于此,本课题采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),然后分别对其进行还原和功能化得到还原石墨烯(rGO)和磺化石墨烯(SG)。以上述石墨烯材料为模板,采用原位的化学氧化法合成了PANI/GO、PANI/rGO、PANI/SG和PANI/GO/CNTs复合材料,进而来提高PANI的电化学性能,具体分以下几个方面:首先,PANI与石墨烯材料复合后团聚现象得到了抑制,尤其是以SG为基底制备的PANI/SG材料。CV测试表明电容器具有良好的电化学可逆性能、较大的比电容和较低的内阻;由GCD数据得到PANI/SG材料的比电容是219.5 F/g(0.5 A/g电流密度),较PANI的比电容有较大提高,倍率性能和循环稳定性也得到改善(分别提高8.2%和17.9%);EIS测试表明PANI/SG超级电容器的电荷迁移阻抗最小,具有更好的电容行为。经过5000次恒电流充放电后,PANI/SG复合材料的比电容为初始值的90.2%,循环性能优异。其次,引入GO和CNTs双重改性PANI,通过对比有无CNTs引入时PANI的形貌,发现三元材料中PANI分布更加分散,小尺寸的PANI明显增多。CNTs进入GO的层间,抑制GO片层间团聚的同时在材料内部搭建电子迁移的桥梁。XRD测试表明三元材料具有更好的结晶度和规整性,这可以有效提高材料的循环稳定性。组成复合材料的各组分间相互影响,使PANI/GO/CNTs材料具有优异的电化学性能,包括高比电容(0.5 A/g时比电容为197.6 F/g),良好的倍率性能(电流密度由0.1 A/g增至1 A/g时电容保持率为86.8%)和卓越的循环稳定性(5000次循环电容保持率为90.7%)。再次,使用PANI/GO/CNTs材料组装超级电容器以考察其在1 M高氯酸锂/乙腈有机电解液中的电容性能。结果表明,0.5 A/g电流密度下的比电容为39.4F/g,能量密度为28.9 Wh/kg。0.5 A/g电流密度下充放电500次后其比电容保持率为86.3%,经过2500次循环后比电容下降27%,显示出其在能源存储设备上的应用潜力。最后,对超级电容器行业的现状和聚苯胺基超级电容器的市场潜力进行了分析,认为国外超级电容器研发起步早、技术较成熟,国内超级电容器的产业化处于起始阶段。聚苯胺作为电极材料拥有生产成本低等优势,存在广阔的发展空间。
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