氨基改性石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及其电化学电容性能研究

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超级电容器是当前的一种新型储能器件,它是介于传统电容器和二次电池之间,具有快速充放电的特性,也是目前新能源器件研究的热点。超级电容器电极材料是决定超级电容器性能的关键所在,对电极材料的研究始终是该领域的研究重点。在研究的众多的电极材料中碳材料和聚苯胺(PANI)由于原材料丰富、价格低廉、制备工艺容易且性能优异,备受人们关注。本论文主要针对氮掺杂石墨烯(NH2-RGO)与聚苯胺复合材料的制备和性能进行研究。全文主要研究内容及成果概况如下:  (1)本文采用两种比较有代表性的B-石墨和S-石墨为原材料,首先对其进行物理表征,可知两种石墨的比表面积相差不大,但其孔径差别较大,平均孔径分别为5.8和1.2nm,随后以两种石墨为前驱体,通过改性的Hummers方法制备B-GO和S-GO,再通过各种手段进行表征,两种石墨的表面都嵌入了大量的含氧官能团,由此可知通过此方法制备的氧化石墨基本上为单层结构。  (2)采用原位聚合的方法分别制备PANI、B-GO/PANI、S-GO/PANI、B-RGO/PANI和S-RGO/PANI纳米线阵列的复合材料,对比分析这些纳米线复合材料的电化学性能差异。PANI纳米纤维由于在掺杂与去掺杂的过程中容易发生体积的膨胀和收缩致使电极材料的脱落,从而导致电化学性能较差。然而,苯胺单体与两种GO聚合得到的B-GO/PANI和S-GO/PANI纳米线复合材料,由于GO本身缺陷和导电性较差,致使制备的两种复合材料电化学电容相对较差。利用水合肼还原得到的B-RGO/PANI和S-RGO/PANI复合材料,其导电性较还原前提高了两个数量级(B-RGO/PANI和S-RGO/PANI的电导率分别为19.05Scm-1和0.14Scm-1),电化学性能也得到很大程度的提升。B-GO/PANI、S-GO/PANI、B-RGO/PANI和S-RGO/PANI复合材料经过1000次循环后电容保持率分别为57%、59.6%、60%和69.7%。通过还原前后的对比,以S-GO为基体与苯胺聚合后的电化学性能要优于B-GO纳米基体,表明以小颗粒的石墨为原材料制备的复合材料的性能较优。因此本文选择S-石墨来制备N掺杂的GO。  (3)将制备的S-GO为前驱体,氨水为氮源,乙二醇为溶剂和还原剂,利用水热反应制备NH2-RGO纳米基体,并对NH2-RGO进行一系列的结构表征和电化学性能测试,表明氨基官能团(-NH2)已将GO上的部分含氧官能团取代,同时其电极材料的CV曲线本接近于矩形且无氧化还原峰,是典型的双电层电容器,经过1000次循环之后其电容几乎没有衰减,体现出较优良的循环稳定性。  (4)采用原位聚合方法制备的纳米线阵列NH2-RGO/PANI复合材料,在分析PANI纳米线生长机理的基础上,研究其在1.0molL-1H2SO4电解质溶液中的电化学性能。表明:NH2-RGO/PANI电极材料的最大比电容高达648Fg-1,经过1000次循环之后其电容保持率为高达80%,氮元素(-NH2)的引入对复合材料的电化学性能起到了正影响效应。
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