三维石墨烯／聚苯胺复合材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-09-14 18:12

  本文关键词：三维石墨烯／聚苯胺复合材料的制备及其电化学性能研究

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【摘要】：超级电容器因具有充放电速度快、存储方便、环境友好以及使用寿命长等性能成为一种新型储能装置,且在能源领域具有广泛的应用。众所周知,电极材料对超级电容器的性能具有决定性的影响。石墨烯(GNs)是一种具有机械性能优良、导电性好、比表面积大等优点的新型碳材料,是制备高性能超级电容器的候选材料之一。单纯的GNs循环稳定性好、功率密度高,但是其比电容较低。由于具有理论比电容高、成本低廉、化学稳定性好等优点,聚苯胺(PANI)作为一种导电高分子经常应用于超级电容器电极材料。但是PANI在导电率和电化学稳定性方面表现不佳,限制了其应用。可以利用协同效应,把GNs和PANI复合在一起制备复合材料,可以实现二者的优势互补,使复合材料具有良好的电化学性能。本论文主要研究了GNs/PANI复合材料的制备工艺、微观结构表征及其电化学性能。主要研究内容如下:(1)在密闭氧化法的基础上,对GO制备过程进行改进。首先对石墨进行微波膨胀处理,原料要进行低温均化处理后,再利用反应釜高温反应制备GO。实验结果表明:制备的GO氧化程度非常高,在水溶液和DMF中分散性很好。(2)本论文提出了一种简单并且环保的方法制备三维石墨烯(3D-rGO),该方法以CaCO3为模板GO通过水热反应产生凝胶,同时加入葡萄糖作为还原剂。在还原过程中氧化石墨烯自组装成三维凝胶并包裹住CaCO3颗粒,然后去除模板后得到自支撑3D-rGO,最后把3D-rGO与聚苯胺(PANI)进行复合制备3D-rGO/PANI复合材料。电化学测试表明3D-rGO/PANI复合材料在电流密度为1 A/g时的比电容为243 F/g,并且在1000次循环充放电测试后比电容变为原来的86%。(3)本论文报道了一种利用交联法制备三维石墨烯(3D-rGO)。首先在GO溶液中加入一种三嵌段共聚物(F68),用以化学剥离氧化石墨,然后用水合肼来还原后便可获得rGO/F68混合物。这种表面套有聚合物的rGO能够形成稳定的水溶液,是因为F68的疏水端PPO以非共价键的作用吸附在rGO的表面上,然而F68的亲水端PEO链则伸展到水中。再加入β-环糊精(β-CD),由于PEO链进入β-环糊精的分子空腔中使rGO片层组装成三维多孔超分子凝胶(rGO/F68/CD),然后通过高温去除表面的超分子(F68和β-CD)制备三维石墨烯(3D-rGO)。采用原位聚合的方法制备了3D-rGO/PANI复合材料,实验表明其展现较高的的比电容(在1 A/g的电流密度下比电容为226 F/g)和很好的循环稳定性。
【关键词】：超级电容器 石墨烯 聚苯胺 复合材料 电极材料
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;TM53
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 专用术语注释表9-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 引言10-11
• 1.2 超级电容器概述11-16
• 1.2.1 超级电容器的工作原理11-13
• 1.2.2 超级电容器的电极材料13-15
• 1.2.3 超级电容器的应用前景15-16
• 1.3 石墨烯16-24
• 1.3.1 石墨烯的结构16-17
• 1.3.2 石墨烯的性质17
• 1.3.3 石墨烯的制备方法17-19
• 1.3.4 三维石墨烯的制备19-22
• 1.3.5 石墨烯/聚苯胺复合材料的制备22-24
• 1.4 本论文的研究意义和主要研究内容24-26
• 1.4.1 研究意义24
• 1.4.2 主要研究内容24-26
• 第二章 氧化石墨烯的制备26-35
• 2.1 引言26
• 2.2 实验部分26-28
• 2.2.1 实验原料26-27
• 2.2.2 氧化石墨烯的制备27
• 2.2.3 测试仪器27-28
• 2.3 结果和讨论28-34
• 2.3.1 实验设计流程28-29
• 2.3.2 GO的形貌特征分析29-30
• 2.3.3 GO的化学成分和结构分析30-33
• 2.3.4 GO的分散性33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 模板法制备三维石墨烯/聚苯胺复合材料35-46
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验部分36-37
• 3.2.1 实验原料36
• 3.2.2 三维石墨烯/聚苯胺复合材料的制备36
• 3.2.3 测试仪器36-37
• 3.2.4 电化学性能测试37
• 3.3 结果和讨论37-45
• 3.3.1 模板法实验方案和设计思路37-38
• 3.3.2 3D-rGO/PANI的XPS表征38
• 3.3.3 3D-rGO/PANI的FT-IR表征38-39
• 3.3.4 3D-rGO/PANI的XRD表征39-40
• 3.3.5 3D-rGO/PANI的TGA表征40-41
• 3.3.6 3D-rGO/PANI的SEM和TEM表征41-42
• 3.3.7 3D-rGO/PANI的电化学性能研究42-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 交联法制备三维石墨烯/聚苯胺复合材料46-55
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验部分47-48
• 4.2.1 实验原料47
• 4.2.2 三维石墨烯/聚苯胺复合材料的制备47-48
• 4.2.3 测试仪器48
• 4.2.4 电化学性能测试48
• 4.3 结果和讨论48-53
• 4.3.1 交联法实验方案和设计思路48-49
• 4.3.2 热重分析仪（TGA)表征49-50
• 4.3.3 扫描电子显微镜（SEM）表征50-51
• 4.3.4 傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）表征51-52
• 4.3.5 电化学性能研究52-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 参考文献57-64
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文64-65
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利65-66
• 附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目66-67
• 致谢67

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