棉织物基聚吡咯/碳纳米管复合电极材料的制备及其电化学性能研究

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电化学电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件,电极材料是决定超级电容器性能的关键因素。纤维材料具有其它片材难以比拟的比表面大的特点,将织物作为能量存储单元的载体,通过导电纳米结构物质在其表面的组装可形成轻型电池电极和电化学电容器,织物基功能材料因具有轻薄、柔软、可折叠,便于与服装进行集成的优点而当今材料领域中的研究热点。目前电化学电容器研究主要集中于高性能多孔电极材料的研制及其结构与性能调变,以具有多孔结构的材料为载体制备复合电极活性物质是提高电极比容量的重要捷径之一,其中高表面积的碳材料(如活性炭、碳纳米管和石墨烯)与导电聚合物(如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物等)的复合研究为研究热点之一。两种不同性质的电极活性物质复合时二者之间的结合及其在柔性衬底上的粘附问题是主要的技术难点,现阶段多采用多次溶液浸渍的方法,该方法界面粘附力较弱易造成表面功能层脱落,另外常见的方法则是将电极活性物质加入粘合剂中再涂敷在织物表面,粘合剂的加入可能造成电极材料整体电阻的增加,同时不利于多孔结构的形成。本论文利用纤维材料轻薄、柔软、可折叠和比表面大的特点,分别通过模板聚合法,界面聚合法和脉冲电沉积的原位技术,在大面积棉织物(Ctn)基底上制备了具有具有不同结构碳纳米管(CNT)/聚吡咯(PPY)纳米结构沉积层,形成了多种具有储能性能柔性电极材料,利用傅利叶红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)技术对其进行结构与形貌表征,采用循环伏安特性曲线、恒电流充放电曲线、交流阻抗谱图对其电化学性能进行研究。结果表明:以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为软模板制备m-Ctn/PPY,在此基础上通过两步和一步模板聚合法制备的m-Ctn/CNT/PPY,方阻分别为59.8±12.9Ω/sq和144.6±21.7Ω/sq,比电容为377.0±34.3F/g和238.7±31.0F/g,m-Ctn/PPY其中,两步法形成褶皱状的聚吡咯膜覆盖于织物表面,膜层粗糙有突起;一步法PPY沿着CNT生长为PPY纳米线。m-Ctn/PPY一次完全充放电时间在300s以内,而m-Ctn/CNT/PPY可达500s,循环1000次后m-Ctn/PPY电容下降33.0%,而j-Ctn/CNT/PPY电容下降8.1%。。改进的界面聚合法制备的j-Ctn/PPY和j-Ctn/CNT/PPY,方阻分别为198.2±35.6Ω/sq和107.4±18.3Ω/sq、比电容分别为180.9±70.4F/g和285.45±51.4F/g,其中,j-Ctn/PPY呈现“珊瑚状”结构,而根据CNT加入油相和水相,j-Ctn/CNT/PPY所得结构分别为珊瑚状的纳米线和具有花型的PPY纳米线,这种三维立体网状结构在充放电循环中有良好的可逆性,j-Ctn/PPY一次完全充放电时间在200s以内,循环200次后电容下降36.8%,而j-Ctn/CNT/PPY可达800s以上,循环200次后电容下降6.9%。脉冲电沉积方法制备的d-Ctn/CNT/PPY的方阻和比电容为1241.5±186.2Ω/sq和170.0±16.2F/g,具有菜花状结构。d-Ctn/CNT/PPY一次完全充放电时间在200s左右,循环1000次后电容下降8.5%。
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