基于碳纳米管构筑用作超级电容器电极的纳米复合材料

论文摘要

作为超级电容器电极材料,碳纳米管具有导电性高和循环稳定性好的特点,但比容量偏低;而导电高分子和过渡金属氧化物具有很高的比电容量、但循环稳定性较差。本工作中拟将聚苯胺、二氧化锰和碳纳米管有机复合,通过材料间协同增强作用,制备出电导率高、比电容大和循环稳定好的超级电容复合储能材料。为此我们制备了具有核壳结构的碳纳米管/聚苯胺纳米复合材料,碳纳米管和纳米晶二氧化锰复合材料,和碳纳米管/二氧化锰/聚苯胺三元复合材料,并作为超级电容器电极材料对其结构性能进行了有效表征。本文主要内容如下:1.采用苯胺和表面缺陷较少的多壁碳纳米管,超声辅助原位合成了一系列具有不同壳层厚度的碳纳米管/聚苯胺复合物;采用SEM、TEM、FTIR、Raman、XRD等分析手段研究了材料的形貌与结构,采用电导测量和电化学测试表征了材料的电学性能与电化学性能;提出了在无缺陷碳管表面发生聚苯胺原位聚合、形成具有核壳结构的纳米复合材料的机理;电化学分析表明复合电极材料的电容由双电层电容和赝电容两部分组成,电极的储能机理是复合储能,电极反应可逆性较好;当碳纳米管含量达到33%时,纳米复合材料的比电容最高,可达到560F/g。2.以高锰酸钾为氧化剂,醋酸锰和碳纳米管为还原剂,草酸和盐酸为质子源调节体系得pH值,采用水热反应制备出一系列二氧化锰与碳纳米管的复合材料;通过合成条件的选择,可以有效地控制复合材料的形貌与复合方式。电化学测试表明系列材料中以纳米晶二氧化锰/碳纳米管核壳结构的复合材料性能最佳;体系中被纳米晶二氧化锰包覆碳纳米管充当导电通路,大大降低电极材料的电阻,而碳管表面所包覆的针状二氧化锰极大地增加了材料的比表面积,核壳结构的复合方式增加了体系的稳定性,其比电容也高达到550F/g,并表现出优异的电化学循环的稳定性。3.以碳纳米管/纳米晶二氧化锰为反应性模板,超声辅助原位合成了碳纳米管/二氧化锰/聚苯胺三元纳米复合材料;该体系中二氧化锰和聚苯胺与碳纳米管的复合提供了较高的比表面积和较低的电阻,二氧化锰与聚苯胺为主要的电化学活性物质,而聚苯胺的引入方便电极制作,无需外加粘合剂就可成型。初步电化学测试表明该三元复合材料材料具有良好超电容特性,比电容也可达134F/g。其电化学性能可通过优化复合体系的微结构、实现材料间协同增强作用而得到进一步的改进。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电化学超级电容器简介
• 1.1.1 超级电容器的历史及应用背景
• 1.1.2 电化学超级电容器的分类
• 1.1.3 电化学超级电容器的优点
• 1.2 电化学电容器的研究现状
• 1.2.1 电极材料的研究现状
• 1.2.2 影响超电容性能的因素
• 1.3 超级电容器性能测试原理及方法
• 1.3.1 恒流充放电
• 1.3.2 循环伏安法
• 1.4 研究意义及主要研究内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 MWNTS/PANI的原位合成、表征及其电化学研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验药品
• 2.3 实验设备
• 2.4 MWNTs/PANI的合成及电极制备
• 2.4.1 MWNTs的处理
• 2.4.2 MWNTs/PANI的原位合成
• 2.4.3 电极制备
• 2.5 MWNTS/PANI结构表征及其电化学性能研究
• 2.5.1 SEM
• 2.5.2 TEM
• 2.5.3 FTIR
• 2.5.4 Raman光谱
• 2.5.5 XRD
• 2.5.6 电导和壳层厚度的测试
• 2.5.7 循环伏安测试
• 2.5.8 恒流充放电测试
• 2.5.9 比表面积
• 2.6 结果与讨论
• NO₂复合材料的合成表征和电化学研究'>第三章 MWNTS与不同形态结构M_NO₂复合材料的合成表征和电化学研究
• NO₂复合材料的合成表征和电化学研究'>3.1 MWNTs和结晶M_NO₂复合材料的合成表征和电化学研究
• 3.1.1 前言
• 3.1.2 实验药品
• 3.1.3 实验设备
• 2的合成及电极制备'>3.1.4 MWNTs/c-MnO₂的合成及电极制备
• 2结构表征及其电化学性能研究'>3.1.5 MWNTs/c-MnO₂结构表征及其电化学性能研究
• 3.1.6 结果与讨论
• NO₂复合材料的合成表征和电化学研究'>3.2 MWNTs与纳米晶M_NO₂复合材料的合成表征和电化学研究
• 3.2.1 前言
• 3.2.2 实验药品
• 3.2.3 实验设备
• 2的合成及电极制备'>3.2.4 MWNTs/mc-MnO₂的合成及电极制备
• 2结构表征及其电化学性能研究'>3.2.5 MWNTs/mc-MnO₂结构表征及其电化学性能研究
• 3.2.6 结果与讨论
• NO₂/PANI三元复合物体系的初步研究'>第四章 MWNTS/M_NO₂/PANI三元复合物体系的初步研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验药品
• 4.3 实验设备
• NO₂/PANI的合成及电极制备'>4.4 MWNTs/M_NO₂/PANI的合成及电极制备
• 2纳米晶的合成'>1.MWNTs/MnO₂纳米晶的合成
• 2/PANI三元复合材料的合成'>2.MWNTs/MnO₂/PANI三元复合材料的合成
• NO₂/PANI结构表征及其电化学性能研究'>4.5 MWNTs/M_NO₂/PANI结构表征及其电化学性能研究
• 4.5.1 TEM
• 4.5.2 FTIR
• 4.5.3 XRD
• 4.5.4 循环伏安测试
• 4.5.5 恒流充放电测试
• 4.5.6 比表面积
• 4.6 结果与讨论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录