【摘 要】
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自从碳材料被开发用于电化学储能装置以来,由于其独特的环保性、超强的物化性能,将碳基材料作为超级电容器电极材料的研究越来越多,石墨烯、碳纳米管等碳基材料在超级电容器领域具有极其广泛的利用,为当前电子设备的研究与发展提供了良好的前景,具有巨大的提升空间。由于石墨烯分散性差、易团聚等因素,用电化学沉积方法制备的复合材料可能电容性能不稳定,不能达到理想的需求。将碳材料的双电层电容行为与导电聚合物的赝电容行
【基金项目】
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河北省自然科学基金（F2019202377）；
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自从碳材料被开发用于电化学储能装置以来,由于其独特的环保性、超强的物化性能,将碳基材料作为超级电容器电极材料的研究越来越多,石墨烯、碳纳米管等碳基材料在超级电容器领域具有极其广泛的利用,为当前电子设备的研究与发展提供了良好的前景,具有巨大的提升空间。由于石墨烯分散性差、易团聚等因素,用电化学沉积方法制备的复合材料可能电容性能不稳定,不能达到理想的需求。将碳材料的双电层电容行为与导电聚合物的赝电容行为相结合制备电容器电极材料是提高电容器性能的一种手段,因此本文通过将石墨烯材料改性来制备复合材料,使用不同种类的性能测试对比研究材料的电化学性能与介电性能以及变化规律。具体所做工作如下:（1）改进制备工艺,变换实验条件,制备了氧化石墨烯（Hummers法）。分析测试表明,得到的氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团,在水相溶剂中能更好地分散,为后续聚吡咯/氧化石墨烯（PPy/GO）、氮掺杂石墨烯（NG）以及聚3,4乙烯二氧噻吩/氧化石墨烯（PEDOT/GO）的制备打下基础。（2）通过控制电位电解库仑力（BE）电沉积方法制备了PPy/GO复合薄膜,用仪器探测对其进行形貌结构表征,以电化学方法探究最佳电沉积时间,探究所制备复合材料性能随氧化石墨烯分散液浓度变化的规律。测试结果表明,氧化石墨烯的加入使PPy/GO的介电性能与电化学性能都得到了提高,其中在106Hz频率下PPy/GO4的介电常数为29.9,损耗为1.68,对比PPy材料,介电常数提高82%,损耗提高了5%。文中得出当Py与GO摩尔比为10:4时电聚合得到的材料具有最好的电容性能,在不同电流密度下有良好的倍率特性,比电容为394.88 F/g（电流密度为1 A/g）,循环稳定性测试（1 000次）显示比电容保持率为90.25%,稳定性对比纯PPy的保持率60.58%,具有明显的提高。（3）采用水热法利用GO将氮元素掺入得到NG,通过时间电流法制备聚3,4乙烯二氧噻吩（PEDOT）以及其分别与氧化石墨烯（PEDOT/GO）和氮掺杂石墨烯的复合物（PEDOT/NG）,比较材料由于掺杂而带来的性能改变;改变氮掺杂石墨烯添加浓度,探究氮掺杂石墨烯浓度对材料性能的影响。通过各项表征及性能测试分别横向、纵向比较石墨烯材料掺杂对复合物带来性能的提升,其中氮掺杂石墨烯对材料的性能提高优于氧化石墨烯。在NG浓度为3 mg/L时制备的PEDOT/NG-3的介电常数为121.1,介电损耗为0.80,相对纯PEDOT介电性能更强;在电化学性能测试中,PEDOT/NG的电荷转移能力优于纯PEDOT和PEDOT/GO,且在测试中也贡献更大的比电容,其中PEDOT/NG-3在1 A/g下为147.6 F/g,且2 000次循环后能保持92.05%。总体而言,基于石墨烯材料的优异性能,将其掺入导电聚合物对材料的性能提升是非常显著的,能更好地应用于超级电容器领域。
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