【摘 要】
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超级电容器因充放电速度快、功率密度高和循环稳定性好等优点而备受关注。由于其电化学性能在很大程度上取决于电极材料的性能,开发高效的电极材料对促进超级电容器的应用研究极为重要。在众多的电极材料中,聚苯胺(PANI)因其单体成本低、制备简便、电化学活性好、理论比电容高而被认为是一种很有前途的电极材料。然而,PANI的倍率性能和循环稳定性差严重限制了其作为电极材料的广泛应用。一个有效的途径是加入具有优良导
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超级电容器因充放电速度快、功率密度高和循环稳定性好等优点而备受关注。由于其电化学性能在很大程度上取决于电极材料的性能,开发高效的电极材料对促进超级电容器的应用研究极为重要。在众多的电极材料中,聚苯胺(PANI)因其单体成本低、制备简便、电化学活性好、理论比电容高而被认为是一种很有前途的电极材料。然而,PANI的倍率性能和循环稳定性差严重限制了其作为电极材料的广泛应用。一个有效的途径是加入具有优良导电性和稳定性的纳米材料,如碳纳米管(CNTs)、石墨烯、过渡金属硫化物等,通过多组分的协同效应来增强电化学性能。本文分别采用固相球磨法和水热法制备了二硫化钼(Mo S2)纳米材料,并将其与PANI和/或CNTs复合制备了二元或三元复合电极材料。通过对复合材料的形貌及电化学性能的表征,探讨了各组分对电极材料性能的影响。主要的研究内容及结果如下:第一部分:PANI/Mo S2-LS二元复合电极材料的制备及电化学性能研究。以木质素磺酸钙为剥离剂,通过固相球磨制备了木质素磺酸盐(LS)修饰的Mo S2纳米片(Mo S2-LS),并以其为模板,在溶液中原位聚合苯胺得到了PANI/Mo S2-LS二元复合电极材料。研究了Mo S2-LS纳米片的加入对PANI的形貌及电化学性能的影响,结果表明:在加入Mo S2-LS后,PANI沿Mo S2-LS纳米片规律生长,形成了相对平坦的结构。在1.0 M H2SO4为电解质的三电极体系中,PANI/Mo S2-LS二元复合电极材料在1 A g-1的电流密度下具有393.6 F g-1的高比电容,比未加入Mo S2-LS纳米片时提高了1.4倍。第二部分:PANI/Mo S2-LS/CNT-LS三元复合电极材料的制备及电化学性能研究。为进一步提升上述二元复合电极材料的电化学性能,我们在PANI/Mo S2-LS的基础上引入了木质素磺酸盐修饰的碳纳米管(CNT-LS),得到了三元复合电极材料PANI/Mo S2-LS/CNT-LS。研究了CNT-LS的加入对PANI/Mo S2-LS的形貌及电化学性能的影响。结果表明:CNT-LS的加入有利于多孔结构的形成,为氧化还原反应提供了更多的活性位点。在1.0 M H2SO4为电解质的三电极体系中,PANI/Mo S2-LS/CNT-LS三元复合电极材料在1 A g-1的电流密度下具有458.9 F g-1的高比电容,此外,在10000次循环充放电后,电容保留率为86.0%,表现出优异的循环稳定性。比电容和电容保留率比未加入CNT-LS时分别提高了近1.2倍和1.3倍以上。第三部分:为研究不同形貌的Mo S2纳米材料对电化学性能的影响,我们以CNT-LS为模板,采用水热法制备了花瓣状的Mo S2纳米球,得到了Mo S2@CNT-LS二元复合电极材料,并以此为模板,在其表面原位聚合苯胺,得到了PANI/Mo S2@CNT-LS三元复合电极材料。研究表明:Mo S2纳米球具有层次结构,可以提供较多的活性位点,Mo S2@CNT-LS表面生长PANI后减少了Mo S2的团聚作用,有利于电化学性能的提升。在1.0 M H2SO4为电解质的三电极体系中,PANI/Mo S2-@CNT-LS三元复合电极材料在1 A g-1时比电容为433.0 F g-1,稍低于使用层状Mo S2纳米片的复合电极(第二部分)。然而,其循环稳定性稍有提升,在10000次循环充放电后,电容保留率高达95%。由此表明,Mo S2纳米片和纳米球均可有效提高PANI的电化学性能,可被用于构筑高效的复合电极。
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