超临界CO2辅助制备聚苯胺复合材料

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随着柔性可穿戴电子器件的快速发展,具有快速充放电倍率、长循环寿命和良好柔韧性的超级电容器近年来成为研究热点。超级电容器按照储能机制的不同分为双电层超级电容器和法拉第超级电容器。其中导电聚合物聚苯胺具备较大的法拉第赝电容,而且生产成本低,制备工序简便,被广泛用于制备超级电容器电极材料。但是聚苯胺存在机械稳定性和导电性较差的缺陷,在充放电过程的快速法拉第反应中会造成材料形变及体积变化,严重削弱了电极材料的倍率性能和循环寿命,限制了其商业化应用。此外,苯胺分子间可形成π-π共扼键,因此极易发生聚苯胺团聚的现象。为了防止聚苯胺在充放电过程中发生形变及团聚,一个行之有效的方法就是将导电聚合物负载到具有良好力学性能、导电性能的材料如石墨烯或纤维素表面,形成聚苯胺超级电容器复合材料。石墨烯或纤维素独特的结构可以使聚苯胺颗粒均匀分散在其表面,抑制其团聚和体积形变,弥补导电聚合物材料倍率性能差和循环寿命短等不足;另一方面,聚苯胺也可有效防止石墨烯片的堆砌和团聚,并贡献高赝电容来提高复合材料的比电容和能量密度。超临界流体“类气体”的扩散率、“类液体”的密度、低粘度和零表面张力,使其具有良好的溶解能力和渗透能力,被广泛用于复合材料的制备。超临界流体可以克服相间传质阻力,强化传质过程,从而制备得到各组分分布更均匀,性能更优良的储能材料。其中,超临界CO2由于临界条件温和(临界温度Tc=31.26℃,临界压力Pc=7.38 MPa)、溶解能力强(溶解强极性溶质时可使用极性有机溶剂做提携剂)、化学惰性、无腐蚀性、便宜易得、无残留、绿色环保等优点,成为最具潜力的超临界流体。基于上述分析,本文分别以石墨和纤维素为基底,就超临界CO2辅助制备聚苯胺超级电容器复合材料进行了研究。通过对复合材料形貌结构和电化学性能的表征测试,探讨超临界CO2辅助制备聚苯胺超级电容器电极材料的优势。主要内容:(1)本文将超临界CO2技术直接应用于聚苯胺/石墨基复合材料产品的制备工作中,研究在不同类型的超临界气体条件环境下对石墨基体的剥离制备效果以及在超临界气体条件环境下所制而得产品的电化学性能,探究其最佳制备的石墨比例,并探究阐明了其作用机理。研究发现,超临界预处理和反应条件为温度55℃,压力15 MPa,预处理时间为1 h,反应时间为2 h,石墨比例为7%工艺条件下制备的复合材料的电化学性能最优。(2)将超临界CO2流体技术运用到聚苯胺/纤维素复合材料的制备中。利用超临界CO2的强化传质能力对纤维素微球、植酸和苯胺溶液进行最大程度的混合,然后通过苯胺在冰水浴中的原位聚合合成聚苯胺/纤维素复合材料。结果表明,超临界CO2的预处理可以有效地减少复合材料的合成时间,制备聚苯胺的反应时间从6 h缩短至4 h,并显著改善了复合材料的电化学性能。
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