导电聚合物/石墨烯复合材料的制备、性质及其在超级电容器中的应用

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超级电容器由于其优良的电化学性能已成为科研工作者的研究重点,以期望能满足现在日益增长的储能设备的需求。要制备一种性能卓越的超级电容器,关键在于对电极材料的合理选择。几乎拥有碳材料所有的优点的石墨烯具有高比表面积、高透射率、高导电率和高强度等一系列超优性能。苯胺四聚体(AT)由于其良好的导电性、独特的离子掺杂机制、高比电容和生产工艺简单等优点成为超级电容器的高性价比电极材料。同时,二氧化锰由于资源丰富、循环稳定性好、环境友好且拥有较高的理论比电容等优势而备受青睐。本论文主要介绍了使用还原氧化石墨烯和短链的苯胺四聚体、二氧化锰制备纳米复合材料,表征其物理化学性质,并采用电化学测试方法研究其作为超级电容器电极材料的应用。主要内容如下:1、通过用改进Hummers方法制备的氧化石墨烯(GO)与用化学法制备的苯胺四聚体(AT),在静电作用下进行自组装,制备出GO/AT纳米复合材料。然后通过水热法,制备出还原氧化石墨烯/苯胺四聚体(RGO/AT)纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)、拉曼光谱以及X-射线光电子能谱(XPS)对RGO/AT的微观形貌及结构进行表征。通过循环伏安法和恒电流充放电法对不同AT添加量的RGO/AT纳米复合材料电极进行电化学性能测试。研究表明,在50mg GO分散液中AT添加量为50 mg的样品具有较好的比电容(476.3 F/g,1 A/g)、倍率性能(电流密度增加50倍后,倍率性能达79.2%)与较佳的循环稳定性(1000次充放电后的比电容保持率达92.2%)。2、利用一步法制备RGO/MnO2纳米复合材料。然后用化学法制备的苯胺四聚体(AT)在静电作用下与RGO/MnO2进行自组装,制备出RGO/MnO2/AT纳米复合材料。通过SEM、FTIR、XRD、拉曼光谱以及XPS对RGO/MnO2和RGO/MnO2/AT的微观形貌及结构进行表征。通过循环伏安法和恒电流充放电法对RGO/MnO2进行电化学性能测试,得到锰源添加量为1/3的RGO/MnO2纳米复合材料(RGM3)具有较高的比电容,达到147.1 F/g(电流密度为1A/g)。然后对RGM3与不同AT添加量自组装制备的电极进行电化学性能测试。经过测试得出AT添加量为50 mg的RGO/MnO2/AT纳米复合材料(RGMA2)具有较好的比电容(497.9F/g,1A/g)、倍率性能(电流密度增加50倍后,倍率性能达74.9%)与良好的循环稳定性(4000次充放电后剩余比电容值为初始比电容值的81.5%)。3、通过化学还原法制备石墨烯水凝胶(GH),然后通过电化学聚合法在GH片上直接电沉积苯胺四聚体,成功制备了GH/AT纳米复合材料,并且用于超级电容器研究。通过SEM、FTIR、XRD、拉曼光谱以及XPS对GH和GH/AT的微观形貌及结构表征,发现AT成功的插入到了GH层间,形成立体三维结构的纳米复合材料。通过CV、交流阻抗和恒电流充放电法测试得出GH/AT具有高的比电容(567.7 F/g,1 A/g)、高倍率性能(电流密度增加20倍后,倍率性能达75.2%)与较佳的循环稳定性(1000次充放电后值为初始比电容值的84.2%)。好的电化学性能主要归结于GH拥有丰富的孔洞与间隙,以及优异的导电性和机械稳定性;而AT则提供高的比电容。在二者之间良好的协同作用下,使得GH/AT表现出优异的电化学性能,可以作为一种非常有潜力的超级电容器电极材料。
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