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聚苯胺的改性及其在超级电容器中的应用

作　者: 王芳平
导　师: 王红强；钟新仙；李庆余
学　校: 广西师范大学
专　业: 应用化学
关键词: 超级电容器 聚苯胺 化学原位氧化法 界面聚合法 电化学性能
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


伴随人口的急剧增长和社会经济的快速发展,资源和能源日渐短缺,生态环境日益恶化,人类将更加依赖洁净和可再生的新能源。超级电容器(supercapacitor)也叫做电化学电容器(electrochemical capacitor),是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件,它既具有传统电容器放电功率高,又具有电池电荷储存能力大的特点。与传统电容器相比,超级电容器具有更大的容量以及更高的能量密度,其容量可达法拉(F)甚至数千法拉,而传统的电容器只有微法(μF)级;与电池相比,超级电容器具有更高的功率密度和更长的循环寿命,可实现快速充放电。电极材料是影响超级电容器性能与成本的关键因素之一。目前,超级电容器的电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物三种。在众多导电聚合物中,聚苯胺(polyaniline, PANI)由于具有原料易得、合成简便、成本低廉,并且具有良好的化学稳定性、导电性和高的赝电容储能等特性,使其成为了超级电容器电极材料的研究热点。本文采用化学氧化聚合法,以二氧化锰(MnO2)作为氧化剂,在室温条件下制备了电化学性能优异的超级电容器用PANI材料、PANI-碳纳米管(CNTs)和PANI-Co3O4复合材料。此外,还采用界面聚合法制备PANI材料,研究不同浓度的HCOOH做掺杂剂时对PANI材料形貌及电化学性能的影响。研究了所得材料电极在酸性介质中的电化学电容特性。本文主要研究内容如下：(1)以MnO2、过硫酸铵(APS)作为氧化剂,采用化学氧化聚合法在室温下制备得到PANI,并采用扫描电子显微镜(SEM),傅立叶变换红外光谱(FTIR)以及X-射线衍射(XRD)对其结构和形貌进行了表征。用循环伏安法、电化学阻抗和恒电流充放电技术测试了以其作为电极的超级电容器的电化学性能。结果表明,以MnO2为氧化剂制备的PANI(简称为M-PANI)在电流密度为5 mA/cm2下的单电极比容量达260 F／g,500次循环后容量仍稳定在188 F／g,比电容保持率为72.3%。比以APS作为氧化剂制备的PANI(简称为N-PANI)具有更高的比容量和更好的循环性能。(2)以MnO2作为氧化剂,采用化学氧化聚合法在室温下制备得到PANI-CNTs(简称为M-PC)纳米复合材料,并采用SEM、FTIR、XRD对PANI-CNTs复合材料的结构与性能进行了表征。用循环伏安法、恒电流充放电技术测试了以其作为电极的超级电容器的电化学性能。恒电流充放电实验结果表明,在不同电流密度恒流充放电时,M-PC纳米复合材料比容量随着电流密度的增大而降低；在电流密度为5 mA/cm2下单电极比容量达355F／g,500次循环后容量为306 F／g,比电容保持率为86.2%。M-PC较以APS为氧化剂制备的PANI-CNTs(简称为N-PC)具有更高的比容量和更好的循环性能。(3)以MnO2为氧化剂,采用化学氧化聚合法在室温下制备得到PANI-Co3O4复合材料,SEM、FTIR以及XRD技术对其进行结构、形貌表征。用循环伏安法和恒电流充放电技术测试了以其作为电极的超级电容器的电化学性能。结果表明,制备的PANI-Co3O4复合材料在电流密度为5 mA/cm2下的单电极比容量达287 F／g,500次循环后容量仍有271F／g,比电容保持率为94.4%。比M-PANI和Co3O4具有更好的循环性能和更高的比容量。(4)采用界面聚合法,以FeCl3作氧化剂,不同浓度的HCOOH做掺杂剂,在室温下制备了不同形貌PANI纳米材料,采用SEM、XRD对PANI的结构和形貌进行了表征。以PANI为活性物质制备电极,1 mol/L H2SO4水溶液为电解液组装超级电容器,通过循环伏安法和恒电流充放电技术研究了其电化学性能。结果表明,通过控制HCOOH的浓度可以得到不同形貌的HCOOH掺杂的PANI纳米材料；其中纤维状的PANI作为电极材料的超级电容器在15 mA/cm2放电电流下,其比电容为292 F/g,500次循环后容量仍维持在201 F/g,比电容保持率为68.8%。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章 文献综述  11-20
  1.1. 超级电容器简介  11-14
    1.1.1. 超级电容器的结构  11
    1.1.2. 超级电容器的工作原理  11-13
    1.1.3. 超级电容器的特点  13
    1.1.4. 超级电容器的分类  13-14
    1.1.5. 超级电容器的产业化现状  14
  1.2. 超级电容器电极材料的研究进展  14-17
    1.2.1. 碳材料  14-16
    1.2.2. 金属氧化物材料  16
    1.2.3. 导电聚合物材料  16-17
  1.3. 超级电容器用导电PANI电极材料的研究进展  17-19
    1.3.1. 导电PANI的合成方法  17-18
    1.3.2. PANI在超级电容器的应用  18-19
  1.4. 选题的目的及意义  19-20
第二章 不同氧化剂制备的PANI电化学性能研究  20-28
  引言  20
  2.1. 实验  20-22
    2.1.1. 原料及实验仪器  20-21
    2.1.2. PANI材料的制备  21
    2.1.3. 电极的制备及实验超级电容器的组装  21-22
  2.2. 结果与讨论  22-27
    2.2.1. PANI的形貌分析  22-23
    2.2.2. PANI的红外光谱分析  23
    2.2.3. PANI的XRD分析  23-24
    2.2.4. PANI的循环伏安特性  24-25
    2.2.5. PANI的交流阻抗特性  25
    2.2.6. PANI的恒流充放电性能  25-26
    2.2.7. PANI的循环寿命  26-27
  2.3. 本章小结  27-28
第三章 二氧化锰氧化制备超级电容器用PANI-CNTs纳米复合材料  28-34
  引言  28
  3.1. 实验  28-29
    3.1.1. 原料及实验仪器  28
    3.1.2. PANI-CNTs复合材料的制备  28-29
    3.1.3. 电极的制备及实验超级电容器的组装  29
  3.2. 结果与讨论  29-33
    3.2.1. PANI-CNTs复合材料的形貌分析  29
    3.2.2. PANI-CNTs复合材料的红外光谱分析  29-30
    3.2.3. PANI-CNTs复合材料的XRD分析  30-31
    3.2.4. PANI-CNTs的循环伏安特性  31
    3.2.5. PANI-CNTs的恒流充放电性能  31-32
    3.2.6. PANI-CNTs的循环寿命  32-33
  3.3. 本章小结  33-34
第四章 二氧化锰氧化制备超级电容器用PANI-Co_3O_4纳米复合材料  34-41
  引言  34
  4.1. 实验  34-35
    4.1.1. 原料及实验仪器  34-35
    4.1.2. 材料的制备  35
    4.1.3. 电极的制备及实验超级电容器的组装  35
  4.2. 结果与讨论  35-40
    4.2.1. PANI-Co_3O_4复合材料的形貌分析  35-36
    4.2.2. PANI-Co_3O_4复合材料的红外光谱分析  36-37
    4.2.3. PANI-Co_3O_4复合材料的XRD分析  37
    4.2.4. PANI-Co_3O_4复合材料的循环伏安特性  37-38
    4.2.5. PANI-Co_3O_4复合材料的恒流充放电性能  38-39
    4.2.6. PANI-Co_3O_4复合材料的循环寿命  39-40
  4.3. 本章小结  40-41
第五章 不同形貌的甲酸掺杂聚苯胺的电容性能  41-47
  引言  41
  5.1. 实验  41-42
    5.1.1. 原料及实验仪器  41
    5.1.2. PANI材料的制备  41-42
    5.1.3. 电极的制备及实验超级电容器的组装  42
  5.2. 结果与讨论  42-46
    5.2.1. PANI的形貌分析  42
    5.2.2. PANI的红外光谱分析  42-43
    5.2.3. PANI的XRD分析  43-44
    5.2.4. PANI的循环伏安特性  44
    5.2.5. PANI恒流充放电性能  44-45
    5.2.6. PANI循环寿命  45-46
  5.3. 本章小结  46-47
第六章 结论与展望  47-49
  6.1. 结论  47
  6.2. 展望  47-49
参考文献  49-57
附录:攻读硕士学位期间发表的论文及成果  57-58
致谢  58-60

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 电容器
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