利用废旧电池粉制备导电聚合物复合材料及其电化学性能研究

发布时间：2017-08-10 06:35

  本文关键词：利用废旧电池粉制备导电聚合物复合材料及其电化学性能研究

  更多相关文章： 超级电容器 废旧电池粉 石墨烯 导电聚合物 复合材料

【摘要】：超级电容器作为新型储能设备,因为具有较高的能量密度和功率密度、好的循环稳定性、快速充放电速率以及操作安全的优点,而得到了广泛研究和应用。为了提高超级电容器的性能参数,人们使用了不同材料作为超级电容器的电极材料并测定了电极材料的电化学性能。其中,聚吡咯和聚苯胺是研究最多的导电聚合物电极材料;二氧化锰是性能较好的金属氧化物;石墨烯因为独特的结构可以作为其他材料的基质和模板,提高复合材料的电化学性能。近年来,由于废旧干电池的大量丢弃对环境和人体健康造成了危害,利用废旧干电池制备高收益的功能性材料成为研究热点。废旧电池粉的主要成分是二氧化锰和石墨粉。因此,可以利用废旧电池粉制备导电聚合物基复合材料,并应用在超级电容器中。本文概述了超级电容器的储能原理、电极材料、聚吡咯、聚苯胺和导电聚合物基复合材料以及废旧干电池的回收利用现状和研究进展。我们以废旧电池粉作为原料,氧化制备了聚吡咯和聚苯胺的复合材料,并考察了不同反应条件对产物的形貌、产率、电导率和电化学性能的影响情况。具体实验内容包括以下三部分:(1)以废旧电池粉中的二氧化锰作为氧化剂,吡咯作为单体,通过原位化学氧化聚合方法制备了石墨粉/聚吡咯(G/PPy)和石墨粉/二氧化锰/聚吡咯(G/MnO2/PPy)复合材料。实验考察了不同的盐酸浓度、二氧化锰/吡咯摩尔比、掺杂剂对甲苯磺酸钠/吡咯(p-TSNa/pyrrole)摩尔比以及酸溶液体积对复合材料的形貌、产率、电导率和电化学性能的影响。结果表明,因为电池粉中的MnO2结晶度较低,比电容较低,所以G/PPy复合材料性能优于G/MnO2/PPy复合材料的性能。当p-TSNa/pyrrole摩尔比为1.0时,制备的G/PPy复合材料的电化学性能更好。其中,G/PPy-11复合材料的比电容最高,为212 F/g,并且在循环1000圈后比电容保持89.5%,显示了较好的电化学稳定性。(2)以废旧电池粉作为原料,和苯胺单体混合后在冰浴搅拌条件下制备得到了聚苯胺基二元和三元复合材料(G/PANI和G/MnO2/PANI)。实验选用了不同的盐酸浓度、二氧化锰/苯胺摩尔比和酸溶液体积作为苯胺的聚合反应条件。结果表明,1.0 mol/L盐酸浓度下制备的G/PANI产物的比电容较高,而且二元复合材料的性能优于三元复合材料的性能。其中,G/PANI-14复合材料具有最高的比电容(317 F/g)和好的循环稳定性,循环1000圈后仍保持84.6%的比电容。(3)以第二个工作制备聚苯胺复合材料的最优聚合反应条件为准,将氧化石墨烯(GO)加入到苯胺和电池粉的反应体系中,制备了氧化石墨烯/石墨粉/聚苯胺复合材料(GO/G/PANI)。使用水合肼对复合材料进行还原,得到了还原氧化石墨烯/石墨粉/聚苯胺复合材料(rGO/G/PANI)。实验考察了GO加入量对复合材料性能的影响。电化学测试结果表明,加入GO后的GO/G/PANI复合材料和没加GO的G/PANI复合材料相比,电化学性能有所提高;而且使用水合肼还原后的rGO/G/PANI复合材料的电化学性能进一步提高。其中,当GO/aniline质量比为1:10时,产物rGO/G/PANI-3的电化学性能最好,比电容高达421 F/g,在循环1000圈后仍保持初始值的106.6%。该工作不仅合成了高性能的超级电容器电极材料,而且为废旧干电池的重复利用提供了新的方法。
【关键词】：超级电容器 废旧电池粉 石墨烯 导电聚合物 复合材料
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 前言11-31
• 1.1 超级电容器11-13
• 1.1.1 双电层超级电容器11-12
• 1.1.2 法拉第赝电容器12-13
• 1.2 超级电容器的电极材料介绍13-15
• 1.2.1 碳材料13-14
• 1.2.2 金属氧化物14
• 1.2.3 导电聚合物14-15
• 1.3 导电聚合物及其复合材料15-21
• 1.3.1 聚吡咯16-17
• 1.3.2 聚苯胺17-18
• 1.3.3 导电聚合物基复合材料18-21
• 1.4 废旧干电池的回收利用21-23
• 1.4.1 废旧干电池回收现状21
• 1.4.2 回收方法研究进展21-23
• 1.5 立题依据23-25
• 参考文献25-31
• 第二章 利用废旧电池粉制备聚吡咯复合材料31-47
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验部分32-35
• 2.2.1 原料和试剂32-33
• 2.2.2 G/PPy和G/MnO_2/PPy纳米复合材料的制备33-34
• 2.2.3 表征34-35
• 2.3 结果与讨论35-43
• 2.3.1 形貌和光谱分析35-36
• 2.3.2 X射线衍射分析36-37
• 2.3.3 PPy产率37-38
• 2.3.4 电导率分析38
• 2.3.5 电化学性能38-43
• 2.4 小结43-44
• 参考文献44-47
• 第三章 利用废旧电池粉制备聚苯胺复合材料47-65
• 3.1 引言47-48
• 3.2 实验部分48-51
• 3.2.1 原料和试剂48-49
• 3.2.2 G/PANI和G/MnO_2/PANI纳米复合材料的制备49-50
• 3.2.3 表征50-51
• 3.3 结果与讨论51-61
• 3.3.1 形貌分析51-54
• 3.3.2 PANI产率54
• 3.3.3 X射线衍射分析54-55
• 3.3.4 电导率分析55-56
• 3.3.5 比电容性能56-61
• 3.4 小结61-62
• 参考文献62-65
• 第四章 利用废旧电池粉和石墨烯制备聚苯胺三元复合材料65-82
• 4.1 引言65-66
• 4.2 实验部分66-68
• 4.2.1 原料和试剂66
• 4.2.2 氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO)的制备66
• 4.2.3 GO/G/PANI和rGO/G/PANI复合材料的制备66-67
• 4.2.4 表征67-68
• 4.3 结果与讨论68-77
• 4.3.1 形貌和光谱分析68-70
• 4.3.2 X射线衍射分析70-71
• 4.3.3 电导率分析71-72
• 4.3.4 比电容性能72-77
• 4.4 小结77-78
• 参考文献78-82
• 全文总结82-83
• 在学期间的研究成果83-84
• 致谢84

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郝翔伟;废旧电池回收机在渝问世[J];城市技术监督;2000年11期

2 李晓粤,韩萍;浅议废旧电池对环境的污染及其防治[J];河北工程技术高等专科学校学报;2000年02期

3 单永贵;电池污染[J];四川环境;2000年03期

4 李龙夫;废旧电池制作锌肥二法[J];中国农垦;2000年09期

5 肖芸香;重庆为废旧电池建立绿色通道[J];再生资源研究;2000年03期

6 史春;呼唤废旧电池回收[J];当代建设;2001年02期

7 王红云;废旧电池回收的困惑及思考[J];环境教育;2001年02期

8 张绍忠;废旧电池的危害[J];农村电工;2001年09期

9 ;废旧电池处理技术研发成功[J];水利电力机械;2001年06期

10 ;北京科技大学研制出废旧电池处理新工艺[J];再生资源研究;2001年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 南俊民;韩东梅;左晓希;李伟善;;废旧电池的回收处理及其在模拟自然环境中的腐蚀行为[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集）[C];2005年

2 张军琪;肖平;;废旧电池的危害与处置[A];四川省循环经济发展模式（Ⅰ）——污泥再生利用[C];2005年

3 陈光;;遵照循环经济的思想促进废旧电池的回收利用[A];中国环境科学学会2006年学术年会优秀论文集（下卷）[C];2006年

4 刘恩富;;关于加快废旧电池(瓶)回收处理进程的建议[A];山东省老科技工作者为实施“十一五”规划和建设创新型省份建言献策研讨会论文选[C];2007年

5 王水锋;郭敬华;;废旧电池对土壤和植物生长影响的初探[A];第十五届全国分子光谱学术报告会论文集[C];2008年

6 朱玲勤;周健;崔艳红;汪岭;刘秀芳;杨惠芳;;废旧电池重金属污染对土壤和植物的影响研究[A];低碳生活与健康损害论坛——中国环境诱变剂学会风险评价专业委员会全国第十三届学术会议暨第四届第5次委员会会议论文集[C];2011年

7 聂诈仁;;第20章 废旧电池的再生利用[A];中国新材料产业发展报告（2010）[C];2011年

8 乔亦男;张俊喜;;废旧电池的危害及回收利用[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展（上册）[C];1999年

9 吴菲;唐致远;;废旧电池的回收利用[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集）[C];2005年

10 王红梅;刘茜;;我国铅酸废旧电池处理处置现状及宏观管理研究[A];2012中国环境科学学会学术年会论文集（第三卷）[C];2012年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 记者 武炳明;废旧电池处理工业化技术诞生[N];中国化工报;2005年

2 本报记者 刘先琴 崔志坚;二十吨废旧电池何处去[N];光明日报;2000年

3 ;废旧电池危害巨大 回收处理势在必行[N];解放日报;2000年

4 黄峗;产业化，处理废旧电池的有效之策[N];江苏科技报;2005年

5 本报记者 吴钦景;废旧电池回收遭遇尴尬[N];联合日报;2005年

6 ;为废旧电池寻出路[N];人民日报;2002年

7 记者 胡京春;建立废旧电池回收再利用系统[N];人民政协报;2000年

8 环保小店分局 王芙静;废旧电池回收问题的初步探讨[N];山西科技报;2005年

9 记者 张平阳;如何治理废旧电池污染[N];西安日报;2002年

10 刘芸;废旧电池走向产业化[N];北方经济时报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 黄魁;废旧镍镉、镍氢电池中有价值金属的回收研究[D];上海交通大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 张雪霞;我国废旧电池回收系统的法律规制研究[D];西安建筑科技大学;2009年

2 许朋;“有偿制”废旧电池回收系统设计[D];西南交通大学;2015年

3 辛海明;废纸中废旧电池的识别研究[D];齐鲁工业大学;2015年

4 段晓娟;利用废旧电池粉制备导电聚合物复合材料及其电化学性能研究[D];兰州大学;2016年

5 周闯;废旧电池溶胶—凝胶—水热耦合法制备Mn-Zn铁氧体的研究[D];河南师范大学;2013年

，

本文编号：649320