石墨烯基導電聚合物復合材料的制備、表征及其超電容特性研究.pdf

1、由于具有大容量、高功率特性、長壽命和良好安全性等優(yōu)良特性，超級電容器在現(xiàn)代電源存儲系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。具有高法拉第贗電容特性的導電聚合物是一類重要的超級電容器電極材料，但其相對較低的電化學利用率、脫摻雜態(tài)下的低電導性和容量的快速衰減限制了導電聚合物實際應用的進一步發(fā)展。高比表面積、良好電子導電特性和卓越機械強度的石墨烯(GN)與導電聚合物電活性物質的復合有望實現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補，使電極材料具有良好的電化學性能。
　　 本

2、論文的研究內容主要集中在石墨烯基導電聚合物復合材料的制備、表征及其在超級電容器中的應用，旨在獲得較高的比能量密度和良好循環(huán)壽命的超級電容器電極材料。論文的主要內容介紹如下：
　　 1、以功能化離子液體1-甲基咪唑丙磺酸硫酸氫鹽([MIMPS][HSO4])為GN分散劑和聚苯胺(PANI)摻雜劑機械球磨合成了GN/PANI復合物。以功能化離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氯化鐵(Bmim[FeCl4])作為GN分散劑和聚吡咯(PPy

3、)催化劑與摻雜劑機械球磨合成GN/PPy復合物。在聚合過程中，GN作為支撐材料沉積PANI或PPy，而原位合成的PANI或PPy作為隔離器抑制GN的重新堆垛。強機械力使片狀復合物任意堆垛，構筑成三維的分級結構，有利于電解液擴散到電極內部發(fā)生充分的氧化還原反應。電化學測試表明復合材料中PANI和PPy的電化學活性和循環(huán)穩(wěn)定性得到明顯提高。GN/PANI復合物在電流密度0.2Ag-1時比容量為616Fg-1，是純PANI在相同條件下比容量的

4、兩倍多，500圈循環(huán)測試后比容量衰減為7％。GN/PPy復合物在0.2 Ag-1時比容量為375 Fg-1，1000圈循環(huán)測試后比容量衰減為13％。
　　 2、以聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)為GN和碳納米管(CNT)分散劑，通過原位化學聚合方法制備了一系列GN/PANI/CNT和GN/PPy/CNT三元復合物。負電荷的PSS與苯胺或吡咯單體的靜電吸附作用有利于產生均一的聚合物層，然而由于GN比CN工具有更高的理論比表面積和反應活性，

5、導電聚合物優(yōu)先聚合在GN表面。CNT的引入能有效抑制GN/PANI或GN/PPy復合物的片層堆積，組裝成三維松散結構，有利于電解液與電活性物質的接觸，同時CNT較高的電導率與GN可以組合形成三維導電網(wǎng)絡，有助于電子的傳輸和電解質離子的快速擴散。電化學測試表明，由于二維GN和一維CNT的協(xié)同作用，三元復合物的電化學特性優(yōu)于純導電聚合物和導電聚合物與GN或CNT組成的二元復合物。當GN：CNT=5:1時，GN/PANI/CNT在0.2 Ag

6、-1。條件下比電容最佳，為909 Fg-1，4 Ag-1條件下連續(xù)循環(huán)2000圈以后容量衰減7％。GN：CNT=8:1時，GN/PPy/CNT在0.2Ag-1。條件下最佳比電容為361 Fg-1，4 Ag-1條件下循環(huán)2000圈以后容量衰減4％。
　　 3、真空抽濾氧化石墨(GO)與PANI納米纖維或PANI/CNT納米線的混合分散溶液，流動組裝得到自支撐GO/PANI或GO/PANI/CNT復合薄膜，再利用氣態(tài)水合肼還原復合薄

7、膜中GO，最后重新氧化和摻雜還原態(tài)PANI，制備了一維PANI納米纖維或PANI/CNT納米線均勻插層GN的“三明治”結構的自支撐復合薄膜材料。在復合薄膜中，GN片可作為集流體改善PANI在充放電過程中的電荷傳輸，也可作為彈性緩沖器適應PANI鏈的體積改變；納米尺寸PANI或PANI/CNT能提供高氧化還原感應電容，提高GN片的層間距和改善GN片的溶液浸潤性。特別在GN/PANI/CNT三元復合薄膜中，剛性CNT核的引入不僅極大的提高了

8、PANI的電化學活性，而且近一步改善了PANI的機械穩(wěn)定性。GN/PANI/CNT自支撐薄膜在電流密度為0.1 A g-1條件下，達到了569 F g-1的質量比電容和188 F cm-3的體積比電容，5000圈循環(huán)測試后電容僅損失4％。
　　 4、以二維GN為柔性基體，利用真空抽濾GN和PPy/CNT混合分散溶液的方法制備了PPy/CNT納米線均一分散在GN片間的柔性GN/PPy/CNT薄膜。在獨特的層狀結構當中，PPy/CN

9、T不僅增加了GN片層空間，而且為電極提供氧化還原贗電容。在0.2 A g-1電流密度下，柔性GN/PPy/CNT的質量比電容和體積比電容(211 Fg-1和122 F cm-3)高于GN(73 Fg-1和79 F cm-3)和PPy/CNT(164 Fg-1和67 F cm-3)。當電流密度增至12 Ag-1時，GN/PPy/CNT的電容保持率達到78％。有重要意義的是，由于柔性GN層和剛性CNT核協(xié)同釋放PPy鏈在充放電過程中的內應力