基于N-取代羧基聚苯胺共价接枝石墨烯复合材料的合成与电化学性能研究

发布时间：2018-12-27 12:38

【摘要】：超级电容器作为一种新型的储能装置，具有高功率密度、高比电容、循环稳定性好、节能环保而广泛应用于汽车、通讯、发电以及军事等领域。其中，，电极材料是超级电容器的性能好坏的关键，石墨烯和导电聚苯胺具有优异的性能而常用做电极材料。石墨烯作为碳材料家族的一员，它具有优异的力学、热学、电学性能因而适用于纳米复合材料、传感器、导电薄膜等应用中。然而，石墨烯化学惰性较强，极易团聚，限制了石墨烯应用和研究。导电聚苯胺因合成简单、原料低廉、独特的掺杂机理而受到广泛关注，但是导电性不高、不溶不熔的缺陷也限制了它的发展。通常制备石墨烯/聚苯胺复合材料来克服两者的缺陷充分发挥协同效应，但这种材料组分间较弱的作用力也存在相容性问题，进一步影响材料的电化学性能的发挥。本文以获得比电容高、循环稳定性好的超级电容器电极材料为出发点，制备出一种新型的N-取代羧基改性聚苯胺（NPAN）共价接枝氨化石墨烯复合材料目标，利用NPAN对石墨烯的拖拽到来增强材料的相容性，此外，这种化学接枝有效的减少材料界面电阻，促进电荷的迁移进而增强材料的循环稳定性和比电容。具体而言，分别用对氨基二苯胺(ADPA)、苯胺以及N-苯基甘氨酸（NAN）对氧化石墨烯（GO）进行功能化，然后水合肼还原处理，得到表面或者边缘带有活性仲胺基团的氨化石墨烯，分别记为aRGO、bRGO以及nRGO，经原位聚合得到NPAN化学接枝到氨化石墨烯表面的复合材料，分别命名为aRGO/NPAN、bRGO/NPAN和nRGO/NPAN。主要研究内容及相关结果如下： 1.以aRGO作为反应活性末端，利用原位聚合法来制备不同含量的NPAN共价接枝aRGO复合材料（aRGO/NPAN），并对其导电性、热稳定性以及NPAN的掺杂率、接枝率进行了研究。结果发现，aRGO/NPAN复合材料中NPAN的掺杂率为26.82%，化学接枝形成的aRGO/NPAN复合材料的电导率要HCl-NPAN的高出三个数量级，比传统非共价功能化方法得到的复合材料的电导率高五倍。TGA分析结果表明：这种aRGO/NPAN复合材料的热稳定性要比HCl-NPAN的要高，经计算NPAN的接枝率为54%。 2.采用FI-IR、UV-vis、Raman光谱、XPS、XRD、SEM、TEM以及CHI660C型电化学工作站对bRGO/NPAN复合材料的结构、形貌以及电化学性能进行了表征。结果发现：苯胺成功的接枝到GO的表面同时使得GO发生部分的还原；bRGO/NPAN复合材料具有层状结构，显示出较高的比电容（662.25F/g）、优异的循环稳定性（200次循环后保持率为97%）。 3.以GO为原料，经过对氨基苯甲酸重氮化、施密特重排反应、酰胺化反应以及水合肼的还原处理得到了表面连接NAN单体的氨化石墨烯（nRGO）。采用原位聚合法得到化学接枝的层状nRGO/NPAN复合材料；利用FTIR、UV-vis、Raman光谱、XPS、XRD、SEM、TEM、TGA和循环伏安法（CV）、交流阻抗（EIS）以及恒电流充放电技术（GCD）研究了HCl掺杂nRGO/NPAN复合材料的结构、形貌以及热稳定性和电化学性能，最后提出了相关的聚合机理。TGA分析表明复合材料的热稳定性受NPAN的热降解和nRGO与NPAN之间化学键热分解的双重控制，较纯HCl掺杂NPAN的明显提高，进一步计算出NPAN的接枝率为24.8%。电化学测试表明复合材料的比电容(654.25F/g)，要远高于单一组分，且这种材料的电化学稳定性较好；nRGO/NPAN的电荷转移电阻Rct为150Ω，小于nRGO(750Ω)和HCl-NPAN(1400Ω)，制造超级电容器理想的电极材料。
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【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O633.21;TB332

【参考文献】