聚（6-羧基吲哚）纳米线阵列的制备及其电致变色—超级电容器性能

发布时间：2020-03-28 17:12

【摘要】：超级电容器因具有功率密度高、充放电快、循环寿命长等优点成为电化学能量存储领域的热点,目前具有电致变色功能的超级电容器的研制是超级电容器研究领域重要的研究方向之一。导电聚合物往往同时具备电致变色和赝电容特性,在电致变色-超级电容器的研制中具有重要的作用,而吲哚类导电聚合物因具备良好的氧化还原活性、热稳定性以及导电性被广泛研究和应用。纳米阵列微观结构可以有效提高导电聚合物材料的电致变色性能和电容性能,能够改善导电聚合物的电化学稳定性。本论文制备了具有纳米线阵列结构的聚(6-羧基吲哚)(PICA)和聚(6-羧基吲哚)/TiO_2(PICA/TiO_2)纳米复合材料,对材料的电化学性能、电致变色性能以及电容性能进行了研究,基于上述材料制备了两种电致变色-超级电容器,对器件的性能进行了测试,并探索了器件的实际应用。1、首次通过恒电流法制备了具有纳米线阵列结构的PICA导电聚合物薄膜。对该薄膜进行了电化学性能表征,研究发现该聚合薄膜具有良好的氧化还原活性和稳定性。利用光谱电化学研究了聚合薄膜的电致变色性能,研究结果显示该聚合物薄膜能够在黄色、绿色和棕色之间可逆转变,并且具有大的光对比度和高的着色效率,在490 nm处,聚合物薄膜的最大光对比度为33%,着色效率为142 cm~2C~(-1)。通过充放电测试对聚合薄膜的电容性能进行了表征,研究结果表明当充电电流密度为0.1 mA cm~(-2)时,该聚合薄膜的面积比电容为16.20 mF cm~(-2)。对聚合薄膜进行了连续充放电稳定性测试,该聚合薄膜显示出了良好的电化学稳定性,经过500圈连续充放电后薄膜的电容量仍有93%存在。2、基于PICA纳米线阵列制备了电致变色-超级电容器。该器件存储能量的同时伴随着颜色变化,器件可以实现从黄色到深绿色的转变,通过颜色变化可监测器件的储能情况。对该电致变色-超级电容器进行了充放电测试,研究结果表明,当充放电电流密度为0.05 mA cm~(-2)时,该器件的面积比电容为4.3 mF cm~(-2)。该器件充电后可以作为电源点亮LED灯持续90 s。研究了器件充放电稳定性,测试结果表明该器件具有良好的电化学稳定性,经过1000圈循环以后,比电容为3.8 mF cm~(-2),仍保持89%的电容量。3、利用水热反应在FTO透明导电玻璃上制备了具有纳米线阵列结构的TiO_2薄膜,通过恒电流法在TiO_2薄膜电极上制备了具有纳米线阵列结构的PICA/TiO_2纳米复合材料。电化学研究表明,该复合材料自身可进行稳定可逆的氧化还原反应。通过充放电测试研究了该复合材料的电容性能,在电流密度为0.05 mA cm~(-2)时,复合材料电极的面积比电容为23.45 mF cm~(-2)。电化学交流阻抗研究表明,该复合材料电极电阻为80Ω,具有良好的导电性和离子传输能力。光谱电化学测试表明,该复合材料在-0.5到2.1 V之间可以实现在黄色-绿色-褐色之间的可逆颜色变化。动力学研究显示,在720 nm处复合材料的光对比度达到36%,从氧化态到还原态的响应时间为2.4 s,还原态到氧化态的时间为1.2 s。电化学稳定性测试结果表明,与PICA相比该复合材料的稳定性有了明显提高。4、基于PICA/TiO_2纳米阵列复合材料构建了电致变色-超级电容器。器件充电时,发生电致变色现象并储存电能。对器件进行了电化学性能表征,研究发现该器件具备良好可逆的氧化还原活性和氧化还原稳定性。通过充放电测试了器件的电容性能,研究结果表明在充放电电流密度为0.1 mA cm~(-2)时,器件的比容量为5.2 mF cm~(-2),器件的内部等效电阻约为90Ω,具有良好的离子传输能力。器件可以在黄绿色和褐色之间可逆变化,通过器件的颜色变化可以判断储能情况,充电结束后该器件可以作为电容器供能,点亮LED持续108 s。经过1000圈循环伏安扫描以后,器件仍保持91%的电容量,表明该器件具有良好的稳定性。
【图文】：

超级电容器,领域,容器

青岛科技大学研究生学位论文第一章前言容器容器概述能源短缺已经成为全球关注的重要问题，在这个依赖能源储功能的电化学装置发挥着至关重要的作用，在克服化石着不可或缺的角色。在各种不同的电化学储能装置中超级去的几十年里一直吸引着学术界和产业界的目光，由于超高、充放电速率快和循环寿命长等良好的性能而成为研究容器的应用领域非常广泛，如在家用电子产品、运输、航力备份保护等等方面 (图 1-1)[1-5]。

示意图,超级电容器,器件,材料

青岛科技大学研究生学位论文个关键组成部分是电解液，一般来说电解质有两种类型：液体电解质和固固态电解质。固态电解质(如 Li2S-P2S5系统)和准固态电解质(如：聚合物体于受到低离子导电率的影响限制了超级电容器的快速充放电能力[19]，但是解质可以避免液体电解质泄露的问题。液体电解质可以分为水电解质，有质和离子液体等，三种具有代表性的水电解质为酸性、碱性、中性溶液，，具有较高离子导电率，但电压窗口较为狭窄。大多数商业化的超级电容器机电解质，因为有机电解质有更大的电压操作窗口，但有时由于易燃、易挥毒性和不当使用造成短路而存在安全风险。超级电容器中离子液体电解质比较热门，因为离子液体电解质具有很高的电化学稳定性、很小的挥发性燃性，然而离子液体也存在其不足之处，比如高粘度和高造价，这成为其实际设备中的绊脚石。.2 超级电容器的研究进展
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM53

【参考文献】