自支撑三维聚苯胺-CNTs/镍纤维复合电极材料制备及其化学电容储能性能研究

论文摘要

导电聚苯胺（PANi）-碳纳米管（CNTs）是近年来受到关注的一类复合电极材料,在高性能超级电容器等领域具有广泛的应用前景。但是,目前制备的PANi-CNTs复合电极材料由于制备方法的限制大多呈粉末状,成型问题极大地限制了复合材料在电化学领域的应用,因此制备具有整体式结构的PANi-CNTs复合电极材料是解决这一问题的关键。基于独特的具有薄层大面积三维开放网络的CNTs/镍纤维为载体,制备了一种新型自支撑三维导电聚苯胺-碳纳米管／镍纤维复合电极材料。首先,通过化学气相沉积法催化裂解乙烯在镍纤维结构（5vol%的8μm的镍纤维,空隙率为95vol%）上生长CNTs的方法,制备了CNTs/Ni-fiber复合材料；然后,通过溶胶涂覆法将PANi组装在CNTs/Ni-fiber上制得复合电极材料。其中,Ni-fiber网络作为集流极,CNTs充当纳米载流导线连接作为电荷存储器的PANi。考察了PANi负载量、PANi分子量和CNTs含量对PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料性能的影响。在1.0mol L-1的Na2SO4水溶液中通过循环伏安法（CV）,恒电流充放电法和交流阻抗法（EIS）研究了复合电极材料的电化学性质和储能性能。结果表明,以分子量10000的PANi单体制备的PANi、CNTs和Ni-fiber含量分别为28wt%、28wt%和44wt%（其中PANi/CNTs质量比为1：1,CNTs/Ni-fiber质量比为0.6）的复合电极材料具有最佳的电化学性质和化学电容储能性能。电流密度为0.5Ag-1时,基于PANi质量的比电容高达1450F g-1,基于电极中活性物质（PANi和CNTs）质量的比电容为725F g-1,基于电极材料总质量的比电容仍达409F g-1；基于电极材料总质量,在功率密度为200W kg-1时,能量密度高达38Wh Kg-1,即使在2000W kg-1的较高功率密度下,能量密度仍可达22Wh Kg-1.特别是,研制的自支撑三维PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料具有良好的充放电循环稳定性。FT-IR和Raman分析表明,酸化后的PANi.与CNTs依靠各自的共轭电子体系发生π-π相互堆积作用产生一种特殊的电子相互作用,这不仅促进了PANi的电化学活性,而且可能对PANi具有稳定作用进而改善了充放电循环稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 电化学超级电容器简介
• 1.3 电化学超级电容器电极材料研究进展
• 1.3.1 碳电极材料
• 1.3.1.1 活性炭（AC）
• 1.3.1.2 炭气凝胶（CAGs）
• 1.3.1.3 碳纳米管（CNTs）
• 1.3.1.4 石墨烯（Graphene）
• 1.3.2 金属氧化物电极材料
• 1.3.3 导电聚合物电极材料
• 1.3.4 导电聚合物-碳纳米管复合电极材料
• 1.3.4.1 聚吡咯-碳纳米管复合电极材料
• 1.3.4.2 聚苯胺-碳纳米管复合电极材料
• 1.4 导电聚合物-碳纳米管复合电极材料的制备方法
• 1.4.1 共混法
• 1.4.2 原位聚合法
• 1.4.3 溶胶-凝胶法
• 1.5 论文研究思想和研究内容
• 参考文献
• 第二章 聚苯胺-碳纳米管/镍纤维（PANi-CNTs/Ni-fiber）复合材料的制备、表征及电化学性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 薄层大面积CNTs/Ni-fiber复合材料简介
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 试剂
• 2.3.2 薄层大面积CNTs/Ni-fiber复合材料的制备
• 2.3.3 PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料的制备
• 2.3.4 PANi-CNTs/Ni-fiber的性质表征
• 2.3.5 PANi-CNTs/Ni-fiber的电化学性能表征
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 考察PANi含量对PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料的影响
• 2.4.1.1 不同PANi含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料的制备方法
• 2.4.1.2 不同PANi含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的形貌特征及能谱表征
• 2.4.1.3 PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的FT-IR表征和Raman表征
• 2.4.1.4 不同PANi含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的电化学储能性能研究
• 2.4.1.4.1 不同PANi含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的交流阻抗图谱
• 2.4.1.4.2 不同PANi含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的循环伏安研究
• 2.4.1.4.3 不同PANi含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料恒电流充放电研究
• 2.4.1.4.4 不同PANi含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的循环稳定性能
• 2.4.1.4.5 PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料能量密度-功率密度关系
• 2.4.1.4.6 PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料在H2SO4溶液中的电化学测试
• 2.4.1.5 小结
• 2.4.2 CNTs含量对PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料电化学性能的影响
• 2.4.2.1 不同CNTs含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料的制备
• 2.4.2.2 不同CNTs含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料电化学性能测试
• 2.4.2.2.1 不同CNTs含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的交流阻抗图谱
• 2.4.2.2.2 不同CNTs含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的恒电流充放电研究
• 2.4.2.2.3 不同CNTs含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的循环稳定性测试
• 2.4.2.2.4 不同CNTs含量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料能量密度-功率密度关系
• 2.4.2.3 小结
• 2.4.3 PANi分子量对PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的影响
• 2.4.3.1 不同PANi分子量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合电极材料的制备
• 2.4.3.2 不同PANi分子量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的表面性质表征
• 2.4.3.3 不同PANi分子量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的电化学性质表征
• 2.4.3.3.1 不同PANi分子量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的交流阻抗图谱
• 2.4.3.3.2 不同PANi分子量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的循环伏安曲线图
• 2.4.3.3.3 不同PANi分子量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的恒电流充放电曲线
• 2.4.3.3.4 不同PANi分子量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的循环稳定性
• 2.4.3.3.5 不同PANi分子量的PANi-CNTs/Ni-fiber复合材料的能量密度-功率密度关系
• 2.4.3.4 小结
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 全文总结
• 硕士期间科研成果
• 致谢