基于N-取代羧基聚苯胺共價接枝石墨烯復合材料的合成與電化學性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種新型的儲能裝置，具有高功率密度、高比電容、循環(huán)穩(wěn)定性好、節(jié)能環(huán)保而廣泛應用于汽車、通訊、發(fā)電以及軍事等領域。其中，電極材料是超級電容器的性能好壞的關鍵，石墨烯和導電聚苯胺具有優(yōu)異的性能而常用做電極材料。石墨烯作為碳材料家族的一員，它具有優(yōu)異的力學、熱學、電學性能因而適用于納米復合材料、傳感器、導電薄膜等應用中。然而，石墨烯化學惰性較強，極易團聚，限制了石墨烯應用和研究。導電聚苯胺因合成簡單、原料低廉、獨特的摻雜機理而受

2、到廣泛關注，但是導電性不高、不溶不熔的缺陷也限制了它的發(fā)展。通常制備石墨烯/聚苯胺復合材料來克服兩者的缺陷充分發(fā)揮協(xié)同效應，但這種材料組分間較弱的作用力也存在相容性問題，進一步影響材料的電化學性能的發(fā)揮。
　　本文以獲得比電容高、循環(huán)穩(wěn)定性好的超級電容器電極材料為出發(fā)點，制備出一種新型的N-取代羧基改性聚苯胺（NPAN）共價接枝氨化石墨烯復合材料目標，利用 NPAN對石墨烯的拖拽到來增強材料的相容性，此外，這種化學接枝有效的減少材

3、料界面電阻，促進電荷的遷移進而增強材料的循環(huán)穩(wěn)定性和比電容。具體而言，分別用對氨基二苯胺(ADPA)、苯胺以及N-苯基甘氨酸（NAN）對氧化石墨烯（GO）進行功能化，然后水合肼還原處理，得到表面或者邊緣帶有活性仲胺基團的氨化石墨烯，分別記為aRGO、bRGO以及nRGO，經原位聚合得到NPAN化學接枝到氨化石墨烯表面的復合材料，分別命名為aRGO/NPAN、bRGO/NPAN和nRGO/NPAN。主要研究內容及相關結果如下：
　　

4、1.以 aRGO作為反應活性末端，利用原位聚合法來制備不同含量的NPAN共價接枝aRGO復合材料（aRGO/NPAN），并對其導電性、熱穩(wěn)定性以及NPAN的摻雜率、接枝率進行了研究。結果發(fā)現，aRGO/NPAN復合材料中NPAN的摻雜率為26.82％，化學接枝形成的aRGO/NPAN復合材料的電導率要HC l-NPAN的高出三個數量級，比傳統(tǒng)非共價功能化方法得到的復合材料的電導率高五倍。TGA分析結果表明：這種aRGO/NPAN復合材料

5、的熱穩(wěn)定性要比HCl-NPAN的要高，經計算NPAN的接枝率為54%。
　　2.采用FI-IR、UV-vis、Raman光譜、XPS、XRD、SEM、TEM以及CHI660C型電化學工作站對bRGO/NPAN復合材料的結構、形貌以及電化學性能進行了表征。結果發(fā)現：苯胺成功的接枝到GO的表面同時使得GO發(fā)生部分的還原；b RGO/N PAN復合材料具有層狀結構，顯示出較高的比電容（662.25 F/g）、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（200次循

6、環(huán)后保持率為97%）。
　　3.以GO為原料，經過對氨基苯甲酸重氮化、施密特重排反應、酰胺化反應以及水合肼的還原處理得到了表面連接NAN單體的氨化石墨烯（nRGO）。采用原位聚合法得到化學接枝的層狀nRGO/NPAN復合材料；利用 FTIR、UV-vis、Raman光譜、XPS、XRD、SEM、TEM、TGA和循環(huán)伏安法（CV）、交流阻抗（EIS）以及恒電流充放電技術（GCD）研究了 HC l摻雜 nRGO/NPAN復合材料的結構

7、、形貌以及熱穩(wěn)定性和電化學性能，最后提出了相關的聚合機理。TG A分析表明復合材料的熱穩(wěn)定性受 N PAN的熱降解和nRGO與 NPAN之間化學鍵熱分解的雙重控制，較純 HC l摻雜 NPAN的明顯提高，進一步計算出 NPAN的接枝率為24.8%。電化學測試表明復合材料的比電容(654.25 F/g)，要遠高于單一組分，且這種材料的電化學穩(wěn)定性較好；nRGO/NPAN的電荷轉移電阻Rct為150Ω，小于nRGO(750Ω)和HCl-NP