多孔石墨烯与聚苯胺复合膜的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-08-15 12:30

  本文关键词：多孔石墨烯与聚苯胺复合膜的制备及其电化学性能研究

  更多相关文章： 石墨烯 聚苯胺 三维复合膜 纳米阵列 超级电容器

【摘要】：超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的绿色储能器件,因其具有高的能量密度和功率密度,快速充放电和长寿命等优点,近年来备受研究者的青睐。但是,超级电容器的储能性能严重依赖与电极材料的性能,因此制备出具有高性能,新颖结构的电极材料成为当前研究的热点。在导电聚合物中,聚苯胺(PANI)因其具有环境和化学稳定性好,易合成,高的导电率,快速可逆氧化还原状态和高的理论比电容等优点,被认为是最有应用前景的电极材料。但是,在快速充放电过程中,由于PANI自身体积的膨胀与收缩而造成体积的改变,从而严重降低了其电化学稳定性。为此,将PANI与石墨烯复合,制备出石墨烯/PANI复合材料是有效解决上述问题的方法。石墨烯具有优良的导电率,高的理论比表面积和优异的机械性能。然而,在实际应用中石墨烯由于自身的堆积作用使得其理论比表面积不能完全被利用。同时,有序的结构有利于提高材料的利用率。基于以上分析,我们以PS/rGN为载体,成功了制备了3D r GN/PANI复合膜和3rGN/PANI-NW复合膜。具体研究内容如下:(1)采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),并用水合肼和氨水对其进行还原得到分散性好的rGN溶液,再将r GN溶液与PS溶液相混合,抽滤得到PS/rGN膜。再通过稀释溶液聚合法在PS/r GN膜沉积PANI纳米线阵列,最后将PS去除,得到3D rGN/PANI复合膜。利用FE-SEM,FT-IR,XPS和BET等技术对其微观形貌和结构进行分析以及CV、恒流充放电、交流阻抗和循环稳定性对其电化学性能表征。结果表明:3D rGN/PANI复合膜具有三维多孔结构,PANI纳米线阵列不仅沉积在膜的表面,也沉积在膜的内部,且PANI与rGN间存在强的π电子作用力。这种新颖的结构有利于提供高的界面面积,缩短离子通道,快速的电子转移通道。相比与rGN,3D rGN,和纯PANI,3D rGN/PANI复合膜在电容性和循环稳定性上得到了很大的提高,其中在0.5 A g-1的电流密度下的比电容达到了740 F g-1,在10 A g-1的电流密度下的循环充放电1000次后,电容保留值为87%,表现出良好的电化学性能。(2)在(1)的基础上,以PS为自牺牲模板和ZnO纳米棒为支撑骨架,通过电聚合法在三维多孔石墨烯膜上制备PANI纳米褶皱阵列,得到3rGN/PANI-NW膜。FE-SEM研究表明,3rGN/PANI-NW复合膜具有三维多孔和PANI纳米褶皱阵列在膜上,该结构具有大的比表面积,有利于提高电化学活性和电子在PANI和rGN的传递。电化学测试表明,3r GN/PANI-NW在0.5 A g-1的电流密度下比电容达到了630.0 F g-1,且在10 A g-1的电流密度下恒流充放电5000次循环后,电容的保留率为90.5%,库伦效率为94.8%,表现出良好的电化学性能,因而可作为下一代超级电容器的理想电极材料。
【关键词】：石墨烯 聚苯胺 三维复合膜 纳米阵列 超级电容器
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-25
• 1.1 引言9-10
• 1.2 超级电容器10-13
• 1.2.1 超级电容器的分类与工作原理10-11
• 1.2.2 超级电容器的电极材料11-13
• 1.3 石墨烯13-15
• 1.3.1 石墨烯简介13
• 1.3.2 多孔石墨烯的制备13-15
• 1.3.3 多孔石墨烯在电极材料中的应用15
• 1.4 聚苯胺15-22
• 1.4.1 聚苯胺的研究历史15-16
• 1.4.2 聚苯胺的结构16-17
• 1.4.3 聚苯胺的合成17-20
• 1.4.4 聚苯胺的应用20-22
• 1.5 三维多孔石墨烯/聚苯胺复合膜的研究进展22-23
• 1.6 本论文研究的目的、意义及内容23-25
• 1.6.1 本论文研究的目的和意义23-24
• 1.6.2 本论文的研究内容24-25
• 2 独立的三维石墨烯/聚苯胺复合膜的制备及其电化学性能研究25-39
• 2.1 引言25
• 2.2 实验部分25-28
• 2.2.1 主要实验试剂25-26
• 2.2.2 主要仪器设备26
• 2.2.3 实验方法26-28
• 2.3 结果与讨论28-37
• 2.3.1 微观结构表征28-30
• 2.3.2 红外光谱(FT-IR)和拉曼光谱分析30-32
• 2.3.3 X射线光电子能谱分析(XPS)32-33
• 2.3.4 电化学性能分析33-37
• 2.4 结论37-39
• 3 基于三维多孔石墨烯/聚苯胺纳米褶皱阵列的制备及其电化学性能研究39-51
• 3.1 引言39
• 3.2 实验部分39-42
• 3.2.1 主要实验试剂39-40
• 3.2.2 主要仪器设备40
• 3.2.3 聚苯乙烯/还原的氧化石墨烯(PS/r GN)膜的制备40
• 3.2.4 聚苯乙烯/还原的氧化石墨烯-氧化锌(PS/r GN-ZnO)膜的制备40
• 3.2.5 三维多孔石墨烯/聚苯胺纳米褶皱阵列(3r GN/PANI-NW)的制备40-41
• 3.2.6 电化学测试41
• 3.2.7 表征方法41-42
• 3.3 结果与讨论42-49
• 3.3.1 微观结构表征42-43
• 3.3.2 红外光谱分析43
• 3.3.3 拉曼光谱与XRD分析43-45
• 3.3.4 X射线光电子能谱分析(XPS)45-46
• 3.3.5 电化学性能分析46-49
• 3.4 结论49-51
• 4 结论与展望51-53
• 4.1 结论51-52
• 4.2 展望52-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-64
• 附录64-65
• A 作者在攻读硕士期间撰写并发表的论文64-65

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