聚苯胺基复合膜电容及电催化性能研究

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将无机材料与有机材料复合,通过无机-有机组分之间的相互作用,可以弥补各自性能的不足,且可相互改性,因此无机-有机复合日益引起人们的关注。聚苯胺(PANI)具有原料易得、合成简单、稳定性好、电导率高等优点,是研究最多的导电高分子之一。但其存在加工性能差、溶解度低、物理力学性能差、在弱酸性和碱性条件下会失去导电性等缺点,从而限制了PANI的应用与发展。将PANI改性,或与其他无机组分复合,借助无机-有机组分的的协同效应,不但可以弥补PANI的不足,还可以强化无机组分的性能。因此研究无机组分与PANI的复合,开发新型导电复合材料,既有理论意义,也有实际应用价值。本文利用电化学共沉积技术将PANI与无机组分如MoOx、功能化碳布进行复合。利用氧化物在PANI三维网络上的有效分散、无机-有机协同效应等,制备了具有较高催化性能和良好电容性能的无机-有机复合膜。并尝试在聚合物分子链上引入亲水性取代基-S03H,制备了自掺杂聚苯胺(SPAN),以提高聚合物在中性溶液中的电化学性能。本论文主要包括以下内容:1.在含有钼酸铵和苯胺的溶液中,采用循环伏安法在碳布电极上制备了MoOx/PANI复合膜修饰电极,运用X-射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)及循环伏安法(CV)等手段对复合膜进行了表征。研究表明,分散在导电聚苯胺的三维网络内有效束缚了MoOx的溶解,提高了其稳定性。运用循环伏安和计时电流技术研究了C103-在MoOx/PANI修饰电极上的电催化还原。结果显示,在MoOx和PANI的协同催化作用下,MoOx/PANI复合膜修饰电极对C103-的还原表现出优异的电催化性能。在5μM~10mM范围内,响应电流与C103-浓度呈现良好的线性关系,灵敏度为21.59 mA/mM,检出限为1.3μM (S/N=3)。2.采用循环伏安法,在H2SO4溶液中对碳布电极进行功能化。采用XPS、FTIR对功能化碳布(FC)表面的官能团进行表征。采用激光共聚焦显微镜考察功能化碳布的粗糙度。并考察了硫酸浓度对碳布功能化及表面粗糙度的影响。在2M H2SO4溶液中制备的功能化碳布(FC-2M)的功能化程度、粗糙度均高于在0.5 M H2SO4溶液中制备的功能化碳布(FC-05M)。大的比表面积有利于双电层的形成,且碳布表面引入的官能团可以发生氧化还原反应而产生法拉第准电容,因此功能化碳布的电容要远大于未处理的碳布。3.采用恒电位阶跃技术,在功能化碳布电极上沉积自掺杂聚苯胺(SPAN),考察了SPAN/FC的电容性能。SPAN链上的-S03H等亲水基团会与=N-上的N掺杂,因此,SPAN在中性溶液中仍具有电化学活性。SPAN/FC电极在0.5 MNa2SO4溶液中,在-0.6~0.6 V范围内的电容为408 F·g-1。4.采用恒电位阶跃技术,在FC上沉积MoOx/SPAN。MoOx/SPAN/FC复合膜电极在-0.6~0.8 V电位范围内,表现出良好的法拉第准电容性能。以MoOx/SPAN/FC复合膜为正负极组装的对称超级电容器,在0~1.4 V范围内具有较高的电容性能,在1 kW-kg-1的功率密度下,能量密度为28.7 Wh·kg-1。
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