聚吡咯及其复合材料的制备与电容性能研究

发布时间：2017-08-17 09:32

  本文关键词：聚吡咯及其复合材料的制备与电容性能研究

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【摘要】：由于当今社会能源问题日趋严重,作为大容量新型储能装置的超级电容器受到了各界人士的广泛关注和重视,而电极材料对超级电容器性能有很大影响,因此加强超级电容器电极材料研究,对于发展高性能超级电容器意义重大。导电聚合物是一类重要的电极材料,其中,聚吡咯(PPy)由于合成方便、抗氧化性好、电导率较高、环境稳定性好等优点,在超级电容器电极材料领域有着重要的地位。本文首先通过化学氧化法,以FeCl3为氧化剂,在乙腈和水的混合溶剂中,通过改变FeCl3用量制备了系列PPy产物,分别记为N1,H1和M1,在H1基础上改变乙腈和水的体积比(简称腈水比,VRAW)制备了HO, H2, H3, H4, H5和H6产物,并系统地研究了FeCl3用量及腈水比对PPy形貌、结构及电容性能的影响。研究发现,不同氧化剂用量下合成的PPy产物中,H1产物的颗粒粒径明显小于N1和M1产物。电化学测试结果表明,PPy产物比电容随氧化剂用量增大而先上升后下降,H1产物具有最大的比电容143.82 F·g-1和相对更好的循环稳定性。改变腈水比得到的系列产物中,产物形貌呈现了从颗粒到薄膜的转变：从H0到H3,产物粒径逐渐减小,H3产物具有最小的粒径；从H4到H6,产物形貌逐渐向薄膜状转变。电化学测试结果表明,具有颗粒状形貌的H0到H3产物的比电容普遍高于薄膜状形貌的H4到H6产物,这是因为颗粒形貌比薄膜形貌具有更大的比表面积,更利于离子的掺杂／脱掺杂,因此电容性能更好。H3产物具有最大比电容154.61 F·g-1和库伦效率59.94%,同时具有相对较好的循环稳定性,具有更快速的离子交换行为,表现为最优的电容性能。在H3产物合成条件基础上,以甲基橙(MO)、对甲苯磺酸钠(TSA)及氨基磺酸(SA)分别作为掺杂剂,合成了MO-1、TSA-1及SA-1产物,并在SA-1基础上制备了不同掺杂剂用量的SA-2～SA-6产物,研究了掺杂剂种类和用量对其电容性能的影响。使用不同掺杂剂所合成的PPy产物中,MO-1产物具有四棱柱状形貌,TSA-1和SA-1产物都具有颗粒状形貌,SA-1产物的粒径较TSA-1更小,颗粒堆积更松散。电化学测试结果表明,MO-1、TSA-1及SA-1产物的放电比电容依次增大,SA-1达到149.33 F·g-1,同时具有相对更好的循环伏安特性,其离子扩散机理更接近于理想电容器,表现出快速的离子交换行为。因此,使用SA作为掺杂剂得到的PPy产物具有更好的电容性能。改变掺杂剂用量得到的SA-1到SA-6产物均为颗粒状形貌,颗粒粒径先减小后增大,且SA-1到SA-4产物颗粒堆积逐渐松散,SA-4产物结构最蓬松,SA-5及SA-6产物颗粒堆积逐渐密实；PPy的产量随掺杂剂用量升高而增大,至SA-4后产量增高不明显,这是因为SA-4产物的掺杂程度已接近饱和。电化学测试结果表明,掺杂PPy的放电比电容随SA用量增加而先升高后降低,在SA-4时得到最大比电容203.32 F·g-1和最高的库伦效率70.67%,同时具有较好的循环伏安特性,并且EIS谱低频区上表现出较高的斜率,即具有快速的离子交换行为。最后本文在吡咯(Py)与活性炭(AC)质量比分别为0.5：1、1：1及5：1的条件下制备了PA1、PA2及PA3产物,并在PA3基础上添加石墨烯(GE)组分,得到PAG复合材料。深入研究了其形貌、结构及电容性能。研究发现单纯AC材料呈现为细小颗粒状形貌,PA1及PA2产物以细小AC颗粒为主,逐渐出现少量PPy大颗粒附着在成块状堆积的AC小颗粒表面；PA3产物形貌则以大颗粒状PPy产物为主；PAG产物的SEM图上出现大量的片层状GE,AC颗粒分散于石墨烯层间结构,而PPy颗粒附着在石墨烯片表面原位生长。FT-IR说明活性炭加入产生的空间位阻影响了PPy的共轭结构,引起了吸收峰向高波数的移动。由循环伏安曲线(CV)可知,PA1、PA2产物与AC的CV曲线形状相似,PPy对AC的电容性能改善不明显,PA3的CV曲线包覆面积增大,但略偏离了矩形。而PAG产物在有较大CV曲线包覆面积的基础上,具有良好的矩形特性。由充放电曲线可知,PA1及PA2产物的比电容较AC略有提高,PA3产物的比电容提高较大,达到135.5 F·g-1,而PAG的比电容可达155.02 F-g-1。在10 mA·cm-2的电流密度下,PPy、PA3及PAG产物在300次充放电循环后比电容保持率分别为23.40%、55.31%及77.79%。由此可知PAG复合材料不仅改善了PPy材料的循环稳定性,而且比电容较纯AC材料有显著提高。
【关键词】：聚吡咯 活性炭 石墨烯 氧化剂 掺杂剂 电容性能
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ317;TM53
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 绪论14-29
• 1.1 引言14-15
• 1.2 超级电容器研究概述15-21
• 1.2.1 超级电容器简介及在国民经济领域中的应用15-16
• 1.2.2 超级电容器的结构与工作原理16-19
• 1.2.3 超级电容器电极材料19-21
• 1.3 导电聚吡咯的研究现状及在超级电容器领域的应用21-27
• 1.3.1 导电聚吡咯的制备方法22-24
• 1.3.2 导电聚吡咯电化学性能影响因素的研究进展24-26
• 1.3.3 导电聚吡咯及其复合材料在超级电容器领域的应用26-27
• 1.4 课题研究的意义及内容27-29
• 1.4.1 课题研究的意义27-28
• 1.4.2 课题研究的内容28-29
• 第2章 合成工艺对聚吡咯电容性能的影响研究29-44
• 2.1 前言29
• 2.2 实验部分29-32
• 2.2.1 实验原料29-30
• 2.2.2 实验设备30
• 2.2.3 PPy的制备30-31
• 2.2.4 工作电极的制作31
• 2.2.5 产物形貌结构及性能的表征31-32
• 2.3 结果与讨论32-43
• 2.3.1 氧化剂对聚吡咯形貌和结构的影响32-34
• 2.3.2 氧化剂对聚吡咯电容性能影响34-38
• 2.3.3 溶剂配比对聚吡咯形貌的影响38-39
• 2.3.4 溶剂配比对聚吡咯电容性能影响39-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第3章 掺杂剂对聚吡咯电容性能的影响研究44-59
• 3.1 前言44
• 3.2 实验部分44-47
• 3.2.1 实验原料44-45
• 3.2.2 实验设备45-46
• 3.2.3 掺杂PPy的制备46
• 3.2.4 工作电极的制作46
• 3.2.5 产物形貌结构及性能的表征46-47
• 3.3 结果与讨论47-58
• 3.3.1 掺杂剂种类对聚吡咯形貌和结构的影响47-49
• 3.3.2 掺杂剂种类对聚吡咯电容性能影响49-52
• 3.3.3 掺杂剂用量对聚吡咯形貌的影响52-54
• 3.3.4 掺杂剂用量对聚吡咯电容性能影响54-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第4章 聚吡咯复合材料的制备及电容性能59-68
• 4.1 前言59
• 4.2 实验部分59-62
• 4.2.1 实验原料59-60
• 4.2.2 实验设备60
• 4.2.3 PPy复合材料的制备60-61
• 4.2.4 工作电极的制作61
• 4.2.5 产物形貌结构及性能的表征61-62
• 4.3 结果与讨论62-67
• 4.3.1 聚吡咯复合材料的微观形貌研究62-63
• 4.3.2 聚吡咯复合材料的红外光谱分析63-64
• 4.3.3 聚吡咯复合材料的循环伏安行为研究64-65
• 4.3.4 聚吡咯复合材料的恒电流充放电性能研究65-66
• 4.3.5 聚吡咯复合材料的交流阻抗谱研究66-67
• 4.4 本章小结67-68
• 结论68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80

【参考文献】

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本文编号：688285