高品质石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及电化学性能研究

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超级电容器,又叫电化学电容器,是近年来出现的一种环境友好型储能元件,其性能介于传统电容器和电池之间,具有高能量密度、高容量、高功率密度、工作温度范围宽、循环寿命长和无污染零排放等特点。导电高分子是一类很重要的超级电容器电极材料,其中聚苯胺是一种重要的结构型导电高分子,由于其优良的导电性能和稳定性而得到广泛研究,而纯聚苯胺由于循环稳定性差等缺点限制了其应用发展。石墨烯由于其独特的电学、力学性能成为一种良好的填充材料,并成为人们研究的热点。把石墨烯与聚苯胺复合则能克服聚苯胺的缺点,并能大大提高其电容量。本文采用液相剥离法,将经过NMP处理的石墨在DMF溶液中进行超声剥离,制备出稳定分散的高品质石墨烯分散液。通过原位化学氧化聚合的方法制备了石墨烯/聚苯胺合材料,并通过改变聚合条件得到不同的复合材料,利用扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、X射线衍射等测试手段对材料进行了表征。并采用恒电流充放电和循环伏安方法测试其电化学性能。本论文研究的主要内容和结果如下:(1)石墨烯分散液的制备:这种通过液相剥离石墨制备石墨烯的方法过程简单,得到的石墨烯分散液稳定性好,并且石墨烯拉曼图显示其D峰和G峰强度比值为0.46,即得到的石墨烯品质较高。(2)石墨烯/聚苯胺复合材料的结构和电化学性能:研究表明,石墨烯在复合材料中均匀分散,并且石墨烯片层的两侧都附着有聚苯胺。在6mol·L-1KOH溶液中分别通过循环伏安与恒电流充放电实验研究石墨烯/聚苯胺复合材料的电化学性能,探讨了石墨烯添加量对复合材料电化学性能的影响。结果显示,石墨烯/聚苯胺复合电极表现出明显的法拉第准电容特性,且比电容都比纯聚苯胺电极高。当扫描速度为5mV·s-1时,和纯聚苯胺的比电容量95F·g-1相比,18%(wt)石墨烯/聚苯胺复合材料比电容量提高到312F·g-1。在100mV·s-1的扫描速率下经过800次循环后,18%(wt)石墨烯/聚苯胺复合材料的电容量仍保持90%左右,表现出良好的循环稳定性。
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