聚苯胺及其复合电极材料的制备与电化学性能研究
发布时间：2021-01-01 13:48
在化石能源日益枯竭,新兴能源使用受限的条件下,研发一种绿色环保高效的新型能量存储装置成为一个较为紧迫的任务。为了改善燃料电池、化学电池使用寿命短、工艺复杂、对生态环境不友好等致命弱点,在全世界众多科研人员的共同努力下,超级电容器应运而生。对于超级电容器的性能而言,电极材料起着决定性作用,而目前最常见的主要有三种:碳材料,导电聚合物和过渡金属化合物。石墨烯是碳材料的典型代表,在双电层电容器领域应用广泛,有着完美的二维平面结构,具有高导电性、化学性质稳定、大表面积等优点。聚苯胺是导电聚合物的重要部分,由于原料廉价,合成方法简单,掺杂之后有导电性等特点,是非常重要的电极材料。二氧化锰是很常见的过渡金属氧化物,由于其易于合成,无毒环保,理论电容值高,是一种典型的赝电容材料。采用溶液聚合的方法制备聚苯胺,改变不同的实验条件,研究多个实验变量对聚苯胺各项性能的影响,探索最佳工艺参数。对于不同酸掺杂,在2 mol/L氢离子浓度下,聚苯胺呈纤维状,形貌更加均匀规整,团聚现象也减弱,其电导率相对较高,其中样品PANI-2.0 HCl的电导率最高为9.04 S/cm。对于不同聚合温度,在5℃下聚苯胺呈现纤...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２双电层电容器的（ａ）充电过程，（ｂ）放电过程??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ?（ａ）?ｃｈａｒｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ，?（ｂ）?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ??
山东大学硕士学位论文??—一??０?？?＾?＾?？??ａ?？?？?ａ??。ｅ?０??？电解质离子??图１．３赝电容器的充放电过程??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｔｈｅ?ｃｈａｒｇｅ?ａｎｄ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔｏｒ??１．２．３超级电赫电极材料??１．２．３．１碳材料??碳材料被认为是一种理想的双电层电极材料，由于其独特的多孔结构、高导??电性、化学性质稳定、大表面积等特性［１７］，最常见的碳材料主要包括：石墨烯、??碳纳米管等。碳材料易于合成和结构调控，可以根据实际需要调整比表面积和孔??隙大小，有利于吸附和脱附过程，从而提高比电容［２２］。??Ｎｏｖｓｅｌｏｖ等［２３］通过机械剥离的方法，用特殊的塑料胶带快速剥裂石墨薄片，??最后得到单层石墨烯，自此，石墨烯这种优异结构的新型碳材料得到了全世界研??究者的关注和应用［２４］。石墨烯完美的二维平面结构有广泛的空间延展性，使其??获得了巨大的比表面积，完美的晶格结构赋予自由电子充分移动的能力，从而拥??有极大的电导率，以及极低的面电阻［２５］。凡此种种，这些优异的性能使得石墨??烯有着无可比拟的优势。??碳纳米管有着完美的一维管状结构，独特的ｓｐ２杂化以及卷曲结构赋予了它??很高的模量和强度，同时也拥有优良的导电性［２６］。除此以外，独特的空间结构??使得碳纳米管更容易进行表面修饰和处理，也容易对其进行内部材料添加以及外??部包覆处理，这些均有利于提高碳纳米管的各项性能，也有利于其在电极材料方??面更广泛的应用。??总而言之，碳材料有着巨大比表面积，在电极材料的制备中占有很大的优势，??合适的孔隙大
第一章绪论??ＣｈＮＨ２??图１．４苯胺的结构式??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｎｉｌｉｎｅ??在聚苯胺的形成过程中，聚合条件是很重要的影响因素，最为常用的是化学??氧化聚合法，包括溶液聚合，乳液聚合，均相聚合等１４３］。苯胺聚合需要用质子??酸掺杂，盐酸、硫酸、高氯酸等强酸均可以为聚合反应提供足够的酸性环境；单??体的聚合就需要有引发剂的存在，主要为强氧化剂，其中过硫酸铵、重铬酸钾、??氯化铁等均可引发苯胺的聚合１４４）。此外，不同的反应温度和反应时间对聚合物??的形貌特征，理化性质以及聚合度均有重大影响。??－?还原中．元?氣化中元?－??－?Ｊｎ??〇＜ｙ＜ｉ??图１．５聚苯胺的结构模型??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ??众多科研人员通过实验数据、模型推理等方法总结出了让人普遍接受的聚苯??胺分子结构模型，如图１．５所示，即苯式结构和醌式结构共存模型｜４５），其中苯式??结构为还原单元，醌式结构为氧化单元，这是由于苯胺在聚合过程中由于苯环电??子云和氮原子孤电子对的存在发生了苯环的异构化，从而出现醌式结构。结构式??中ｎ表示聚合程度，以此可以间接反应出聚苯胺的分子量，ｙ值表示还原单元在??整个结构中所占比重。当ｙ＝〇时，整个聚苯胺均为氧化单元，表现为醌式结构，??此时的聚苯胺为全氧化态：当ｙ－１吋，整个聚苯胺均为还原单元，表现为苯式结??构，此时则称为全还原态；而当ｙ值介于０和１之间时，称其为中间态，不同聚??合态的聚苯胺可以通过改变氢离子掺杂来实现相互转化。??通过苯胺的结构模型可以看出，整个聚合物中存在
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器的技术特点与市场应用研究[J]. 高玉双,张静,刘鹏. 科技风. 2020(02)
[2]锂离子电池改变世界——2019年诺贝尔化学奖成果简析[J]. 陈立泉. 科技导报. 2019(24)
[3]二氧化锰/聚苯胺（MnO2/PANI）复合电极材料的研究进展[J]. 庄钊,王文姣,马勇,韩永芹,白瑞钦,李廷希. 功能材料. 2019(11)
[4]电化学合成聚苯胺膜及其腐蚀防护性能[J]. 李发闯,苏光,郭战永,郭朝博,孙国进. 电镀与精饰. 2019(10)
[5]石墨烯/聚苯胺水凝胶的制备及其在超级电容器中的应用[J]. 许里奥,马郦珏,裴一霖,蒋艳,孙美娇,蒋晓青. 南京师范大学学报(工程技术版). 2019(03)
[6]3D石墨烯/聚苯胺的制备及电学性能研究[J]. 张开,王奇观. 精细化工中间体. 2019(04)
[7]能源环境问题的时代拷问[J]. 易崇艳. 人民论坛. 2019(24)
[8]酸度控制的不同MnO2的水热制备及电化学性能[J]. 朱刚,史亚鹏,王陶陶,苏悦,费少春,李念雪,李佳奇. 人工晶体学报. 2019(08)
[9]能源利用、环境保护与社会可持续发展探讨[J]. 苏文韬,胡伟,牛耀岚. 能源与环保. 2019(07)
[10]导电聚苯胺/泡沫玻璃复合吸波材料的制备与表征[J]. 涂金强,李志宏,朱玉梅. 精细化工. 2019(11)
博士论文
[1]聚苯胺基高性能超级电容器复合电极材料的结构设计、调控及构性关系[D]. 王辉辉.重庆大学 2017
硕士论文
[1]石墨烯纳米片及其复合物的制备和场发射性质研究[D]. 裴艳慧.吉林大学 2012
本文编号：2951403
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２双电层电容器的（ａ）充电过程，（ｂ）放电过程??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ?（ａ）?ｃｈａｒｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ，?（ｂ）?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ??
山东大学硕士学位论文??—一??０?？?＾?＾?？??ａ?？?？?ａ??。ｅ?０??？电解质离子??图１．３赝电容器的充放电过程??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｔｈｅ?ｃｈａｒｇｅ?ａｎｄ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔｏｒ??１．２．３超级电赫电极材料??１．２．３．１碳材料??碳材料被认为是一种理想的双电层电极材料，由于其独特的多孔结构、高导??电性、化学性质稳定、大表面积等特性［１７］，最常见的碳材料主要包括：石墨烯、??碳纳米管等。碳材料易于合成和结构调控，可以根据实际需要调整比表面积和孔??隙大小，有利于吸附和脱附过程，从而提高比电容［２２］。??Ｎｏｖｓｅｌｏｖ等［２３］通过机械剥离的方法，用特殊的塑料胶带快速剥裂石墨薄片，??最后得到单层石墨烯，自此，石墨烯这种优异结构的新型碳材料得到了全世界研??究者的关注和应用［２４］。石墨烯完美的二维平面结构有广泛的空间延展性，使其??获得了巨大的比表面积，完美的晶格结构赋予自由电子充分移动的能力，从而拥??有极大的电导率，以及极低的面电阻［２５］。凡此种种，这些优异的性能使得石墨??烯有着无可比拟的优势。??碳纳米管有着完美的一维管状结构，独特的ｓｐ２杂化以及卷曲结构赋予了它??很高的模量和强度，同时也拥有优良的导电性［２６］。除此以外，独特的空间结构??使得碳纳米管更容易进行表面修饰和处理，也容易对其进行内部材料添加以及外??部包覆处理，这些均有利于提高碳纳米管的各项性能，也有利于其在电极材料方??面更广泛的应用。??总而言之，碳材料有着巨大比表面积，在电极材料的制备中占有很大的优势，??合适的孔隙大
第一章绪论??ＣｈＮＨ２??图１．４苯胺的结构式??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｎｉｌｉｎｅ??在聚苯胺的形成过程中，聚合条件是很重要的影响因素，最为常用的是化学??氧化聚合法，包括溶液聚合，乳液聚合，均相聚合等１４３］。苯胺聚合需要用质子??酸掺杂，盐酸、硫酸、高氯酸等强酸均可以为聚合反应提供足够的酸性环境；单??体的聚合就需要有引发剂的存在，主要为强氧化剂，其中过硫酸铵、重铬酸钾、??氯化铁等均可引发苯胺的聚合１４４）。此外，不同的反应温度和反应时间对聚合物??的形貌特征，理化性质以及聚合度均有重大影响。??－?还原中．元?氣化中元?－??－?Ｊｎ??〇＜ｙ＜ｉ??图１．５聚苯胺的结构模型??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ??众多科研人员通过实验数据、模型推理等方法总结出了让人普遍接受的聚苯??胺分子结构模型，如图１．５所示，即苯式结构和醌式结构共存模型｜４５），其中苯式??结构为还原单元，醌式结构为氧化单元，这是由于苯胺在聚合过程中由于苯环电??子云和氮原子孤电子对的存在发生了苯环的异构化，从而出现醌式结构。结构式??中ｎ表示聚合程度，以此可以间接反应出聚苯胺的分子量，ｙ值表示还原单元在??整个结构中所占比重。当ｙ＝〇时，整个聚苯胺均为氧化单元，表现为醌式结构，??此时的聚苯胺为全氧化态：当ｙ－１吋，整个聚苯胺均为还原单元，表现为苯式结??构，此时则称为全还原态；而当ｙ值介于０和１之间时，称其为中间态，不同聚??合态的聚苯胺可以通过改变氢离子掺杂来实现相互转化。??通过苯胺的结构模型可以看出，整个聚合物中存在
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器的技术特点与市场应用研究[J]. 高玉双,张静,刘鹏. 科技风. 2020(02)
[2]锂离子电池改变世界——2019年诺贝尔化学奖成果简析[J]. 陈立泉. 科技导报. 2019(24)
[3]二氧化锰/聚苯胺（MnO2/PANI）复合电极材料的研究进展[J]. 庄钊,王文姣,马勇,韩永芹,白瑞钦,李廷希. 功能材料. 2019(11)
[4]电化学合成聚苯胺膜及其腐蚀防护性能[J]. 李发闯,苏光,郭战永,郭朝博,孙国进. 电镀与精饰. 2019(10)
[5]石墨烯/聚苯胺水凝胶的制备及其在超级电容器中的应用[J]. 许里奥,马郦珏,裴一霖,蒋艳,孙美娇,蒋晓青. 南京师范大学学报(工程技术版). 2019(03)
[6]3D石墨烯/聚苯胺的制备及电学性能研究[J]. 张开,王奇观. 精细化工中间体. 2019(04)
[7]能源环境问题的时代拷问[J]. 易崇艳. 人民论坛. 2019(24)
[8]酸度控制的不同MnO2的水热制备及电化学性能[J]. 朱刚,史亚鹏,王陶陶,苏悦,费少春,李念雪,李佳奇. 人工晶体学报. 2019(08)
[9]能源利用、环境保护与社会可持续发展探讨[J]. 苏文韬,胡伟,牛耀岚. 能源与环保. 2019(07)
[10]导电聚苯胺/泡沫玻璃复合吸波材料的制备与表征[J]. 涂金强,李志宏,朱玉梅. 精细化工. 2019(11)
博士论文
[1]聚苯胺基高性能超级电容器复合电极材料的结构设计、调控及构性关系[D]. 王辉辉.重庆大学 2017
硕士论文
[1]石墨烯纳米片及其复合物的制备和场发射性质研究[D]. 裴艳慧.吉林大学 2012
本文编号：2951403
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