聚苯胺纳米纤维及其炭化物性能研究

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超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的储能体系。近年来超级电容器作为一种新兴的电极材料受到社会的广泛关注。而聚苯胺所具有的合成过程绿色环保、制备所需原料来源广泛、合成工艺简便、制备成本低廉、拥有良好的电化学稳定性、较高的比电容等特性,被认为是一种极具发展潜力的超级电容器电极材料。而一维纳米材料,具有较高的比表面积、长径比,为聚苯胺充分发挥其优点提供了可能,因此聚苯胺纳米纤维的研究在电极材料领域也具有重要的价值。本论文制备出了形貌良好的聚苯胺纤维,并在此基础上通过原位生长的方法,合成出PANI/AC复合材料。在此基础上,对聚苯胺的炭化温度进行了优化,并在优化后的炭化温度下对PANI/AC复合材料进行炭化。本文通过通过扫描电镜、热重分析、红外分析、XRD等表征手段对聚苯胺纤维、聚苯胺/活性炭复合材料、聚苯胺炭纤维炭化物进行形貌、复合量、表面官能团等的表征,并通过电化学工作站测试了聚苯胺及其炭化产物的电化学性能,还通过多次伏安循环考察了实验制备材料的循环寿命。本文通过对制备聚苯胺纤维的工艺流程进行优化,达到了聚苯胺纤维的可控制备。通过本文合成出的聚苯胺纤维具有较好的微观形貌,其直径约为50~100nm,长度约为1~2μm。本文考察了聚苯胺纤维的电化学性能,测得所制备的聚苯胺纳米纤维的比容量为427.2F·g-1,已较为接近聚苯胺的理论比容量;在合成聚苯胺纤维的基础上本文又通过原位聚合的方法制备了聚苯胺/活性炭复合材料,算得PANI/AC-20,PANI/AC-50、PANI/AC-100复合材料的比容量分别为236.7F·g-1、201.3F·g-1、155.6F·g-1,循环20次后其比容量损失率分别为5.8%、5.5%、4.8%,说明复合材料兼具了高比电容(聚苯胺优点)、高循环寿命(活性炭)的特点。通过对聚苯胺炭化工艺流程进行优化,得出在700℃下聚苯胺保持了较高的比电容为103.53F·g-1。在该温度下对PANI/AC复合材料进行炭化,测得经炭化后的PANI/AC-20,PANI/AC-50、PANI/AC-100复合材料的比容量分别为70.6F·g-1、93.5F·g-1、154F·g-1,循环20次后比电容的衰减率分别为0.42%、2.67%、0.58%,说明炭化提高了聚苯胺/活性炭复合材料的循环寿命,实验还发现,尽管PANI炭化物的比容量低于AC,但在一定的复合比例下,即PANI/AC-100炭化物的比容量明显高于单一AC的比容量。这可能是源于PANI炭化物与AC的复合在一定程度上改善了AC的自身结构,从而能表现出更优的电化学性能。
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