电致变色型导电聚合物及其复合物的制备与超级电容器性能研究

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超级电容器(SCs)作为一种储能器件,具有充放电速率快、功率密度高、循环寿命长等特性。电致变色材料是一类可在不同电压下发生颜色变化的材料,将其与SCs结合制备电致变色型超级电容器(ESCs),使其能够通过实时地颜色变化直接反映器件储能状态。其在智能变色窗户、智能穿戴电子设备等方面有重要的应用意义。聚苯胺(PANI)因其本身独特的物理化学性质,即离子和电子导电性高、氧化还原活性好、低成本和制备简单等特点而被广泛研究。然而,PANI材料本身的刚性以及分子链间强的氢键作用导致的其不溶不熔、加工性差和稳定性不好等特性也大大限制了它在电致变色超级电容器领域的应用。要实现其应用首先要使PANI在透明导电基底上成膜,解决其溶液可加工性。本论文围绕如何提高PANI基复合电极材料的电化学性能、可溶性以及循环稳定性主要开展了以下三个方面的工作:(1)首先,我们制备自掺杂PANI(SPANI)基电极材料,直接在聚合物主链上引入掺杂基团,以缩短电荷转移时间和提高界面间的亲和性。随后,利用电聚合在导电玻璃(ITO/FTO)基底上分别电化学沉积外掺杂PANI和SPANI,对掺杂比例也进行了一定的探究。进一步的,我们还用经甲氧烷基(-OCH3)修饰过的苯胺(AN)单体取代原始AN进行电聚合,研究供电子取代基-OCH3数量及其在芳环上的位置对PANI基电极性能的影响。经过一系列探究,我们发现自掺杂概念的引入是切实可行的,相比于外掺杂PANI,SPANI在比电容和电化学稳定性方面都有一定的提升。由CV曲线计算出SPANI-ITO和PANI-ITO电极的比电容分别为19.65 F g-1、4.35 F g-1,循环500圈后电容保持率分别为40.80%、2.84%。以WO3/FTO为基底,2,5-二甲氧基苯胺(2,5-DMOAN)与邻氨基苯磺酸(SAN)以1:2的摩尔比,电聚合制备的复合薄膜电极在0.1 A g-1的电流密度下进行充放电测试时,质量比电容可达到32.41 F g-1。(2)PANI在大多数有机溶剂中的溶解性都很差,所以要实现PANI材料的大规模广泛应用必须要制备可溶性PANI。为了进一步优化PANI基电极材料的导电性和稳定性,我们利用化学氧化法制备了可溶性的PANI,并在制备过程中添加1,3,6,8-芘四磺酸(1,3,6,8-Psas)作为一种锚定掺杂剂,其较大的位阻可在聚合物中发挥链间支持作用,并降低链间相互作用力的影响,从而使聚合物获得良好的可溶解能力。此外,1,3,6,8-Psas也可以用作交联剂,调节PANI的形貌,为复合电极提供丰富的孔结构,以增加与电解质的接触面积,从而改善离子传输。这种在PANI原位聚合过程中添加1,3,6,8-Psas作为交联剂和掺杂剂的策略,可以获得可溶液加工的PANI,并改善其电化学稳定性。经过一系列探究,在PANI聚合过程中添加浓度为0.015M的1,3,6,8-Psas,再以喷涂成膜的方法,以WO3/FTO为基底制备的复合电极的电化学性能达到最佳。由CV曲线计算得到复合电极在100 m V s-1的扫描速率下,面积比电容达到72.11 m F cm-2,CV循环1000圈后电容保持率为70.12%,相对于未添加掺杂剂的PANI来说均有大的提升。同时,在电致变色性能测试中,当施加电压为-0.2 V时,复合电极褪色,颜色为浅绿色;当施加电压为0.8 V时为着色状态,颜色为深蓝色。复合电极的着色时间为4.5 s,褪色时间为9.0 s,800 nm处的着色效率达到76.52 cm~2 C-1。(3)上述研究中,电极的比电容和电化学稳定性有了一定的提升,但复合电极的循环稳定性还存在一定的局限性。于是,我们探索了一种新颖的制备方法以提高PANI基电极的电化学稳定性。结合界面反应和硫-烯点击反应,我们提出一种垂挂诱导式固液表面聚合反应。首先,采用水热法制备WO3/FTO基底,而后将其浸泡在对氨基苯甲酸的乙醇溶液中使WO3/FTO表面修饰上一层氨基基团,再将其悬挂浸入PANI聚合液中实现固液表面聚合反应。通过这种界面诱导制膜方法可以使WO3与PANI薄膜之间以共价键连接。这种方法比之前喷涂成膜制备的复合电极的电化学稳定性更好,电导率更均匀。并且,这种方法更加利于PANI的大规模工业化生产。反应8 h后的复合电极在循环2000圈后,电容保持率仍然有97.79%,其在电化学稳定性方面有巨大的提升。这种方法的提出也为其它导电聚合物基复合电极的制备以及大规模工业化生产提供了新的思路。
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