导电聚苯胺及其复合材料用作超级电容器电极材料的研究

论文摘要

本论文以聚苯胺以及其与碳材料的复合材料为超级电容器电极基体材料,从碳材料的表面改性及掺杂、聚苯胺的制备工艺和条件、聚苯胺与碳材料掺杂制备方法及工艺等方向,研究了聚苯胺及其复合材料的制备方法、结构、性能以及应用于电容器电极的电化学性能影响。采用透射电镜、扫描电镜、傅立叶红外光谱等测试手段,对材料表面形貌进行研究。利用循环伏安、恒电流充放电测试研究超级电容器的电化学性能。运用原位掺杂的方法分别制备得到聚苯胺/碳纤维复合电极材料（PANI/C1）和聚苯胺/活性碳纤维复合电极材料（PANI/C2）,SEM测试结果显示:活化之后碳纤维的比表面积增大,和聚苯胺的复合明显地得到了改善。PANI/C1和PANI/C2分别作为超级电容器电极材料,发现在有机电解液中,这两种材料的电化学容量分别为35.0F/g和62.6F/g。采用（NH4）2S208作为氧化剂,掺杂剂分别选用盐酸、硝酸、硫酸、高氯酸、磷酸,运用界面法制备聚苯胺作为电容器的电极材料。经过循环伏安测试,发现磷酸作为掺杂剂时制备的聚苯胺具有较好的可逆性,较高的响应电流。经过恒流充放电测试,发现材料的电容量分别为:24.6F/g、19.5 F/g、39.1 F/g、49.2 F/g、61.5 F/g。说明磷酸作为掺杂剂,界面法制备出的聚苯胺更适宜用作电极材料。SEM测试结果显示:这种材料主要由一些近似椭球体的聚苯胺纳米颗粒和短而粗的纤维组成。通过有限域聚合法将在聚苯胺均匀的生长在碳纳米管表面,得到CNTs-PANI纳米复合材料。测试结果显示:运用此有限域聚合法所制备的复合材料中PANI可以非常均匀的包裹在CNTs表面,复合材料的比容量可以达到117.7 F/g（有机电解液）,远远高于所用纯碳纳米管（25.0 F/g）和纯聚苯胺（61.5 F/g）的比容量,从而表明有限域聚合法是一良好的纳米复合材料的制备方法.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超级电容器概述
• 1.1.1 超级电容器发展历史
• 1.1.2 超级电容器的定义及分类
• 1.1.3 超级电容器的组成
• 1.1.4 超级电容器的工作原理
• 1.1.5 超级电容器的特点及优势
• 1.1.6 超级电容器的应用
• 1.1.7 超级电容器的研究现状
• 1.2 聚苯胺
• 1.2.1 导电聚合物基本概念
• 1.2.2 聚苯胺的导电机理
• 1.2.3 聚苯胺的制备方法
• 1.2.4 聚苯胺的复合材料
• 1.2.5 聚苯胺的应用
• 1.3 碳材料
• 1.3.1 活性碳纤维
• 1.3.2 碳纳米管
• 1.4 超级电容器的性能测试原理和方法
• 1.4.1 恒流充放电测试原理
• 1.4.2 循环伏安测试原理
• 1.5 本论文设计思想
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验设备
• 2.3 超级电容器模具的设计
• 2.4 电极的制作
• 2.5 超级电容器的组装
• 2.6 电解液的选择
• 2.7 电化学性能的测试方法
• 第3章 聚苯胺/碳纤维复合材料的容量性能的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 PANI/C1和PANI/C2的制备
• 3.2.2 两种复合材料的形貌表征
• 3.2.3 超级电容器的组装和测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 两种复合材料的SEM表征
• 3.3.2 电化学性能的测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 界面法制备的聚苯胺作为超级电容器的电极材料的电容量性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 电化学性能测试
• 4.3.2 傅立叶红外光谱测试
• 4.3.3 材料的微观表面形貌表征
• 4.4 本章小结
• 第5章 有限域聚合法制备碳纳米管-聚苯胺复合材料及其电化学性能
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 碳纳米管-聚苯胺纳米复合材料的制备
• 5.2.2 材料的成分及形貌表征
• 5.2.3 超级电容器的组装及电化学性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 材料复合前后的形貌
• 5.3.2 材料的成分分析
• 5.3.3 有限域法制备复合材料机理分析
• 5.3.4 电化学性能测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文