纳米聚苯胺的合成、炭化及在超级电容器中的应用

论文摘要

超级电容器是近年来出现的一种能快速充／放电的储能器件,它兼具电容和电池的双重功能,具有高达千瓦数量级的比功率和万次以上的循环寿命。在超级电容器研究中,电极材料是影响超级电容器容量的决定因素,因此开发高比容量的电极材料具有重要的应用价值和理论意义。本文使用过硫酸铵（APS）为氧化剂,盐酸为掺杂剂,分别通过微乳液法、界面法和原位聚合法制备出具有不同纳米结构的聚苯胺,并以其中的聚苯胺纳米纤维作为前驱体,经过预氧化和高温炭化处理,将聚苯胺纳米纤维转化成含氮炭纳米纤维。考察了聚合工艺条件对聚苯胺形貌的影响和炭化处理温度对聚苯胺炭纤维的形貌和电化学性能的影响。实验结果表明：通过控制盐酸、过硫酸铵以及苯胺的浓度配比,使用微乳液法、界面法和原位聚合法可以获得球、空心管、纤维以及片状等不同形貌的聚苯胺。微乳液法制备的聚苯胺球团聚比较严重,直径为0.5-2μm；聚苯胺纤维的的直径约为100 nm,通过调节氧化剂的用量可以将聚苯胺纳米纤维的长度控制在在几纳米到几微米之间；片状聚苯胺厚度在2 nm左右,大小1-2μm。静态界面法制备的聚苯胺纤维直径为20-100 nm,通过控制油相中苯胺的浓度,可以得到长度不一的纤维。动态界面法制备的片层聚苯胺厚度在几个纳米至几个微米之间,大小3μm左右。原位氧化法制备的聚苯胺纤维直径约为50 nm,长度在100 nm左右。在中性条件下,可以制备出直径在100 nm左右的纳米管。经氧化、炭化处理后的聚苯胺炭纤维形貌保持很好,作为超级电容器电极材料时具有高的比容量和很好的循环性能,尤其是700℃炭化产物,在0.1 A·g-1的电流密度下具有158 F·g-1的比容量。在1 A·g-1的电流密度仍然保持110 F·gJ的比容量。大电流充放电容量衰减率很低,因而是一种理想的超级电容器电极材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器
• 1.2.1 超级电容器的特点
• 1.2.2 超级电容器的分类
• 1.2.3 超级电容器的工作原理
• 1.2.4 超级电容器的电极材料
• 1.3 聚苯胺
• 1.3.1 聚苯胺的研究现状
• 1.3.2 聚苯胺的结构
• 1.3.3 聚苯胺导电机理
• 1.3.4 聚苯胺的应用
• 1.3.5 聚苯胺的制备方法
• 1.4 含氮炭电极材料的研究进展
• 1.4.1 含氮炭材料的研究现状
• 1.4.2 含氮炭材料的应用
• 1.5 选题的目的、意义及方案
• 1.5.1 实验目的和意义
• 1.5.2 实验方案
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验设备与试剂
• 2.1.2 超级电容器的制造原料
• 2.1.3 实验用的主要设备
• 2.2 实验样品的制备
• 2.2.1 不同形貌纳米形态聚苯胺（PANI）的制备
• 2.2.2 聚苯胺基含氮炭纤维的制备
• 2.3 电极和电容器组装
• 2.3.1 电极的制备
• 2.3.2 电容器的制备
• 2.4 测试与表征
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.2 热重分析
• 2.4.3 X射线衍射测试（XRD）
• 2.4.4 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.4.5 充放电测试
• 2.4.6 循环伏安测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 纳米结构聚苯胺的合成
• 3.1.1 界面聚合法
• 3.1.2 原位氧化聚合法
• 3.1.3 微乳液聚合法
• 3.2 聚苯胺基纳米炭纤维的制备及电化学性能研究
• 3.2.1 聚苯胺基纳米炭纤维的制备
• 3.2.2 充放电测试
• 3.2.3 首次充放电和循环伏安测试
• 3.2.4 X光电子能谱（XPS）
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的专利
• 作者及导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书