功能离子液体/聚苯胺复合电极材料的制备及其电容性能研究

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超级电容器作为一种新型的绿色储能器件,它以比电容高、充电时间短、工作温度范围宽、循环寿命长、功率密度高、环境友好的等诸多优点吸引了研究人员的广泛关注。然而,电极材料是影响超级电容器电容性能的关键因素之一。电极材料可分为:碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料,其中也包括一些复合材料。由于,导电聚合物成本低、环境友好、制备简单并且可以提供更高的电荷密度,因而受到科学家们广泛的青睐。聚苯胺由于其具有成本低廉、良好的环境稳定性及热稳定性、导电性好以及很容易通过改变氧化态和质子化状态对其进行修饰等优点,已经被广泛地应用各个领域。近年来,研究发现聚苯胺的微观结构对其电容性能具有重要的影响。我们课题组一直从事离子液体方面的相关研究。离子液体(ILs)由于其优异的性能,如不易燃,蒸气压低,优异的化学和热稳定性,离子导电率高,极性可调谐性,电化学窗口宽,迅速成为“绿色”的媒介之一。基于此本文设计合成了含有羧基且烷基链长不同的功能离子液体,用这些功能离子液体去掺杂聚苯胺得到了离子液体/聚苯胺复合电极材料,由于掺杂聚苯胺的功能离子液体不同,所以得到的复合电极材料的形貌也有差异。本文进一步研究不同烷基链的离子液体对导电聚合物形貌的影响进而对电容性能的影响。论文的主要内容包括以下几个方面:1.制备了含有不同碳链长度的咪唑类离子液体单体,包括氯化1-甲基-3-羧甲基咪唑离子液体、氯化1-乙烯基-3-羧甲基咪唑离子液体、氯化1-丁基-3-羧甲基咪唑离子液体、氯化1-己基-3羧甲基咪唑离子液体。用1HNMR、13CNMR对其结构进行了表征,并对其熔点进行了测定。2.通过原位氧化聚合法制备了离子液体/聚苯胺复合电极材料。采用IR、SEM、XPS对其结构和形貌进行了表征。通过循环伏安法和恒电流充/放电对这些复合电极材料的电化学性能进行表征,发现氯化1-乙烯基-3-羧甲基咪唑离子液体([VCMIm]Cl)掺杂聚苯胺时得到的[VCMIm]Cl@PANI复合电极材料在电流密度为1 A g-1时比电容高达624 F g-1,经过1000次循环测试后电容仍能保持82%。3.将废弃羽毛分别在700℃、800℃、900℃下碳化制备得到了羽毛基碳材料(C-700,C-800,C-900)。用SEM、BET、FT-IR、元素分析对这三种碳材料进行了形貌和结构的表征。采用循环伏安法、恒电流充/放电法表征这三种碳材料的电化学性能。电化学测试表明在800℃时碳化羽毛得到的碳材料在电流密度为1 A g-1比电容为507.5F g-1,经过1000次循环测试后电容仍能保持94%。
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