聚吡咯基复合核-壳结构材料、水凝胶材料制备及电化学性能研究

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导电聚合物因其成本低、电荷存储性能优异而备受关注。其中,聚吡咯(PPy)因其优良的电荷储存性能及其环境友好特性而获得了广泛关注,拥有广阔的应用前景。本文旨在制备聚吡咯复合物并研究其电化学性能。包括提升导电性以及开发低成本、高性能的氧还原反应催化剂,促进清洁电化学能源的发展。通过使用表面电化学聚合策略成功制备了聚吡咯包覆的石墨化金刚石(D@G@PPy)的核-壳纳米复合材料。核-壳纳米复合材料的导电性受聚合时间、电流以及离子浓度所影响。实验结果表明,电流为0.6 mA,聚合时间为1 h时所获得的复合材料导电性最佳。此外,与纯聚吡咯相比,包覆着石墨化金刚石的聚吡咯,导电性明显增强,这是由于石墨分子和PPy之间强大的π-π相互作用可以有效地促进电化学聚合过程,促进吡咯在石墨化金刚石表面的生长。而且石墨化金刚石的加入为聚吡咯的生长提供了界面反应活性位点。另外,聚吡咯的包覆大大增加了石墨化金刚石的导电性。通过对所得到的复合材料进行一系列的形貌表征及电化学测试,证明了实验结果的可靠性。通过一步法成功合成了PPy/CuPcTs和PPy/NiPcTs两种超分子掺杂的一维纳米结构导电聚合物水凝胶,通过形貌表征,证明金属酞菁成功掺杂进聚吡咯链中。经过浸泡,成功掺杂进Co2+,形成PPy/CuPcTs、PPy/CuPcTs/Co、PPy/NiPcTs、PPy/NiPcTs/Co四种超分子水凝胶。经过800 oC热解后,形成PPy/CuPcTs、PPy/CuPcTs/Co、PPy/NiPcTs、PPy/NiPcTs/Co四种三官能M-N-C催化剂。通过电化学表征,证明了所制备的三官能团催化剂均为有效的氧还原反应(ORR:Oxygen Reduction Reaction)催化剂。应用K-L方程,计算得知PPy/CuPcTs、PPy/CuPcTs/Co、和PPy/NiPcTs/Co三种催化剂均是通过4电子转化途径,直接将O2还原为水。PPy/NiPcTs催化剂是通过两电子途径,先生成过氧化氢,再间接地转化为水。通过对比PPy/NiPcTs催化剂和PPy/NiPcTs/Co催化剂可以得出结论,Co2+的加入有利于增强氧还原催化剂的催化活性。此外,通过计时电流法,证明了催化剂具有良好的稳定性。实验中所用方法可以促进开发具有低成本、高效益的燃料电池催化剂,有利于促进燃料电池在实际中的应用。
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