基于AAO模板的聚吡咯—金属复合纳米线阵列的磁性和超电容性能研究

论文摘要

对有机-无机复合的纳米材料的研究是材料工程的一个重要部分。其中聚吡咯由于其价格低廉、环境稳定性好、导电性可调等特点,而成为科学家们研究的热点。聚吡咯基的复合纳米材料已广泛应用于微波、传感、金属防腐、电化学超级电容器等方面。本文以聚吡咯为基体,合成了聚吡咯和金属复合的、核壳结构的纳米线阵列,并研究了其磁性和超电容性能。我们用Fe2+、Co2+与吡咯单体的混合溶液做电镀液,在氧化铝模板（AAO）中对Fe2+、Co2+和吡咯单体在交流电压下进行共沉积。随后,将得到的纳米线用X射线、红外光谱等进行表征；实验证明：交流电实现了FeCo合金和聚吡咯的共沉积。高分辨透射电镜表征的结果显示,共沉积生长的复合纳米线的结构为聚吡咯包覆FeCo的核壳结构。用同样的方法,我们合成了聚吡咯包覆钴的、核壳结构的复合纳米线阵列。其可能的生长机制为：聚吡咯在交流电的正半周期得到氧化而聚合,金属离子在交流电的负半周期得到还原而沉积。对复合纳米线进行的硬磁特性表征的结果显示：聚吡咯包覆金属的复合纳米线阵列具有增强的磁性能。我们认为,复合纳米线硬磁性能的提高,是因为非磁性的聚吡咯外壳层的引入,减小了纳米线之间的偶极相互作用。实验还发现,在磁场诱导下合成的复合纳米线具有进一步增强的磁性能。在Ti/W/Al2O3模板中制备了自由站立的聚吡咯（PPy）纳米线阵列,和Co/PPy复合纳米线阵列,研究了其超电容性能。研究发现：自由站立的聚吡咯纳米线阵列的循环伏安曲线具有理想的矩形线形,在50 mV/s的扫描电压下,其超级电容量在饱和硫酸钾溶液中达6.6 mF/cm2;通过分析可知,聚吡咯的超电容性质为高度可逆的感应氧化还原反应赝电容性质。自由站立的聚吡咯纳米线具有较差的恒流充放电循环稳定性。在Ti/W/Al2O3模板上,用交流电共沉积方法合成的聚吡咯包覆钴的复合纳米线阵列,其电容量较纯聚吡咯纳米线有所提高,在50 mV/s的扫描电压下达13 mF/cm2,且恒流充放电的循环稳定性好。我们认为,Co/PPy复合纳米线超电容性能的提高有两个原因：（1）Co2+与吡咯单体共沉积时,形成了Co与聚吡咯交织生长的界面,这种界面降低了Co与聚吡咯之间的接触电阻,并提高了电极上电荷的迁移效率；（2） Co/PPy复合纳米线电极的导电性以导电性良好的金属钴为主。此外,我们还将铝基氧化铝模板中交流电沉积的Co/PPy复合纳米线阵列进行去铝基底并氧化铝势垒层处理,之后蒸镀上金电极作为集流体。实验发现：在1mA/cm2的恒流充放电电流下,镀金电极的复合纳米线的电容量达78mF/cm2。但同时,体系的氧化还原反应完全不可逆,电极的循环稳定性差。我们认为此时的氧化和还原反应与钴的氧化和还原过程有关,其机理有待进一步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 复合纳米材料
• 1.1.1 定义与背景
• 1.1.2 分类
• 1.1.3 应用
• 1.2 复合纳米磁性材料
• 1.2.1 定义
• 1.2.2 分类及应用
• 1.2.3 一维复合纳米磁性材料
• 1.3 复合纳米超电容电极材料
• 1.3.1 超电容概述
• 1.3.2 超电容的组成及工作原理
• 1.3.3 超级电容器的测试方法
• 1.3.4 超级电容器的发展现状
• 1.4 聚吡咯-金属复合纳米材料
• 1.4.1 聚吡咯材料及其特性
• 1.4.2 聚吡咯-金属复合物
• 1.5 本论文的选题意义及主要内容
• 参考文献
• 第二章 实验和测试手段
• 2.1 样品制备方法
• 2.1.1 模板法
• 2.1.2 交流电沉积法
• 2.2 测试方法
• 2.2.1 形貌与结构表征
• 2.2.2 磁性能测试
• 2.2.3 超电容测试
• 参考文献
• 第三章 核壳结构的聚吡咯-金属复合纳米线阵列的合成
• 3.1 引言
• 3.2 交流电沉积法合成核壳结构的FeCo/PPy纳米线阵列
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 形貌特征和红外测试
• 3.3 交流电沉积法合成核壳结构的Co/PPy复合纳米线阵列
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 形貌表征
• 3.4 交流电沉积法合成聚吡咯/金属复合结构的生长机理探讨
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 核壳结构的聚吡咯-金属复合纳米材料的磁性能
• 4.1 FeCo/PPy复合纳米线的磁性能
• 4.1.1 纯FeCo与FeCo/PPy硬磁性能的比较
• 4.1.2 变化py浓度对生长的FeCo/PPy磁性能的影响
• 4.1.3 变化生长中金属离子的浓度对FeCo/PPy磁性能的影响
• 4.2 核壳结构的Co-PPy复合结构的磁性能
• 4.2.1 纯Co与Co/PPy硬磁性能的比较
• 4.2.2 变化吡咯浓度对生长的Co/PPy磁性能的影响
• 4.3 磁场诱导生长的复合纳米线阵列的磁性能
• 4.3.1 磁场诱导下生长的FeCo及FeCo/PPy复合纳米线阵列的磁性能
• 4.3.2 磁场诱导下生长的Co以及Co/PPy复合纳米线阵列的磁性能
• 4.3.3 磁场诱导下生长的纳米线阵列磁性能提高的原因
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 聚吡咯基复合纳米线阵列的超电容性能初探
• 5.1 自由站立的聚吡咯纳米线阵列的合成
• 5.1.1 实验步骤
• 5.1.2 形貌表征
• 2O₃模板上制备的聚吡咯的超电容性能研究'>5.2 Ti/W/Al₂O₃模板上制备的聚吡咯的超电容性能研究
• 5.2.1 自由站立的聚吡咯纳米线阵列的电化学特性
• 5.2.2 AAO模板对聚呲咯纳米线阵列电化学特性的影响
• 5.2.3 退火处理对聚吡咯纳米线阵列电化学性能的影响
• 5.2.4 自由站立的聚吡咯纳米线阵列的循环稳定性
• 5.3 交流电沉积法制备的Co/PPy复合纳米线阵列的超电容性能
• 2O₃模板上交流电沉积制备的Co/PPy复合纳米线阵列的超电容性能'>5.3.1 Ti/W/Al₂O₃模板上交流电沉积制备的Co/PPy复合纳米线阵列的超电容性能
• 5.3.2 铝基氧化铝模板中交流电沉积的Co/PPy核壳结构的超电容特性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 攻读博士期间发表和待发表的论文
• 致谢