【摘 要】
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超级电容器由于其独特的充放电性质受到广泛关注,但其较低的能量密度限制了应用,而电极材料的选择是解决这一问题的关键。针对这一问题,本文以聚苯胺为核心,研究了聚苯胺及其衍生材料形貌调控的影响因素及其与电化学性能之间的关系。首先探究了聚苯胺纳米材料的形貌调控,然后将廉价的聚苯胺作为前驱体进行碳化,所得到的高导电性的聚苯胺基碳进行表面改性后作为基底负载二氧化锰,从而得到成本廉价、性能良好的超级电容器电极材
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超级电容器由于其独特的充放电性质受到广泛关注,但其较低的能量密度限制了应用,而电极材料的选择是解决这一问题的关键。针对这一问题,本文以聚苯胺为核心,研究了聚苯胺及其衍生材料形貌调控的影响因素及其与电化学性能之间的关系。首先探究了聚苯胺纳米材料的形貌调控,然后将廉价的聚苯胺作为前驱体进行碳化,所得到的高导电性的聚苯胺基碳进行表面改性后作为基底负载二氧化锰,从而得到成本廉价、性能良好的超级电容器电极材料。主要研究内容如下:（1）在低温下利用对苯二胺对苯胺聚合的诱导作用,结合旋转填充床的强微观混合作用,合成聚苯胺纳米带。研究表明,低温和合适的对苯二胺添加量对聚苯胺纳米带的形成至关重要,在温度升高或者对苯二胺添加量下降的情况下,得到的产物为聚苯胺纳米纤维。反应前体系的微观混合程度对纳米带的均匀性影响很大。传统机械搅拌器的微观混合能力较差,导致新生成的聚苯胺纳米纤维周围的对苯二胺分子数量有显著差异,产物形态不均匀,同时形成更宽的纳米带和正常的纳米纤维。而旋转填充床能够达到分子级的混合水平,从而形成具有良好导电性和快速的离子扩散行为的均匀纳米带,其表现出更佳的电化学性能,比电容达304.4 F/
[email protected] A/g。（2）将对苯二胺调控形貌的聚苯胺纳米纤维作为前驱体,经碳化和KOH活化后获得电化学性能良好的聚苯胺基碳纳米纤维。研究表明,对苯二胺能在不改变聚苯胺基碳纳米纤维分子结构和官能团比例的情况下,通过调控形貌将其比电容提升最高42.5%。碳化温度影响聚苯胺基碳纳米纤维的石墨化程度和氮原子掺杂情况,而活化剂KOH的过量会导致碳纳米纤维断裂甚至烧结。在碳化温度为700℃、与KOH的质量比为0.5时,经对苯二胺调控形貌的聚苯胺基碳纳米纤维相较于未经处理的比电容提升了165.6%。此外,当电极负载质量高达16 mg/cm~2时,其比电容仍保持在254.0 F/
[email protected] A/g,具有良好的应用前景。（3）以经表面改性的聚苯胺基碳纳米纤维为基底,利用碳与KMnO4的氧化还原反应,制备聚苯胺基碳纳米纤维/MnO2复合材料。研究表明,酸处理会在碳纤维的表面引入大量含氧官能团,造成MnO2形貌由针刺状变为片层状,晶型由α（m）型变为δ型,而复合材料比电容在同条件下能够提升最高87.6%。在反应条件中,反应温度的提高会使碳表面生成更大晶粒的MnO2,而反应物比例的提高会使生成的MnO2晶粒先增大后减小。此外,KMnO4的加入方式对生成的MnO2的形貌和电化学性能也存在影响。经条件优化后,聚苯胺基碳纳米纤维/MnO2复合材料比电容可达166.7 F/
[email protected] A/g。该论文有图37幅,表9个,参考文献108篇。
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