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导电聚合物基纳米复合材料的制备及其电容性能的研究

作　者: 彭辉
导　师: 马国富
学　校: 西北师范大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 超级电容器 纳米复合材料 原位聚合 聚苯胺 聚吡咯 羧甲基纤维素钠 二硫化钼 硫化铜
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


超级电容器基于电极/溶液界面电化学过程储能，是介于常规静电电容器和电池之间的新型储能器件。它具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命、无记忆效应等特性，桥接了传统静电电容器的高功率输出和电池/燃料电池的高能量储存的功能，应用领域广泛，已成为新型化学电源研究中的热点之一。电极材料是影响电容器电化学性能的主要因素之一，目前研究热点主要集中在超级电容器的电极材料上，在这方面的研究主要有以下三种类型：双电层碳基材料、赝电容金属氧化物（金属氢氧化物）材料和赝电容导电聚合物材料。其中，在电极材料中，导电聚合物基超级电容器由于其具有很高的能量密度、低成本、制备方法简单并且对环境友好已经受到广泛关注，然而，它在充放电过程中聚合物骨架容易被破坏，骨架上的氧化还原反应点不能充分地固定，所以显示出了较差的循环稳定性，并且对温度有较大依赖性。因此，人们常用无机材料（碳材料、金属氧化物）或有机材料与导电聚合物进行复合制备复合电极材料应用于超级电容器，以提高材料的循环性能、机械性能及增大其比电容量。在此，我们制备了导电聚合物的复合物电极材料，并对材料的结构、形貌及电化学性能等特性进行了详细研究。主要内容如下：1、一步原位聚合的方法，用棒状的羧甲基纤维素钠作为聚合模板制备出了聚苯胺/羧甲基纤维素钠（PANI/CMC）纳米棒。该纳米棒状复合材料的结构和形貌分别用XRD、IR、FE-SEM和TEM表征，所制备的PANI/CMC纳米棒尺寸较为均一（长约为100nm）。材料的电化学性能通过循环伏安法和恒电流充放电测试技术进行表征，所制备的PANI/CMC纳米复合材料（含20wt%CMC）在电流密度为1Ag-1时比电容高达451.3F g-1，并且PANI/CMC纳米棒具有较高的倍率容量。经过1000次的充/放电循环测试后，其比电容仍然还能保持在300F g-1以上。2、首先通过水热合成的方法制备了具有类似于石墨烯片层状单元的纳米花球状MoS2，再通过简单的原位氧化聚合吡咯单体于MoS2悬浮液中形成PPy嵌入MoS2纳米片层中的纳米复合材料。材料的结构和形貌分别用XRD、FE-SEM和TEM表征；材料的电化学性能通过循环伏安法和恒电流充放电测试技术进行表征。MoS2作为聚合反应体系的聚合基底来修饰PPy的形貌，而且MoS2纳米片层还可以提供PPy材料内部离子的进出路径，从而确保了复合材料具有较高的反应速率。电化学测试显示，PPy/MoS2纳米复合材料作为超级电容器的电极材料在电流密度为1Ag-1下其比电容高达553.7F g-1，经过500次的充/放电循环测试后，比电容仍然还能保持原来的90%以上。此外，这种制备方法有望大规模的生产PPy/MoS2纳米复合材料应用于能源存储系统。3、通过无表面活性剂、无模板的溶剂热方法，制备了具有交织片状单元结构组成的纳米花球状CuS，再通过简单的原位氧化聚合吡咯单体于纳米花球状CuS中形成聚吡咯（PPy）包覆CuS纳米片层的CuS@PPy纳米复合材料。材料的结构和形貌分别用XRD、FE-SEM和TEM表征；材料的电化学性能通过循环伏安法和恒电流充放电测试技术进行表征。电化学测试显示，CuS@PPy复合材料在电流密度为1A g-1下其比电容可达427F g-1，经过500次的充/放电循环测试后，比电容仍然还能保持原来的90%以上。CuS@PPy纳米复合材料作为超级电容器的电极材料显示比“纯”材料具有更高的比电容和优异的循环稳定性。

全文目录


中文摘要  8-10
Abstract  10-12
1 绪论  12-23
  1.1 引言  12
  1.2 超级电容器的概述  12-22
    1.2.1 超级电容器的组成及分类  12-13
    1.2.2 超级电容器的工作原理  13-15
    1.2.3 超级电容器的特点  15-16
    1.2.4 超级电容器的电极材料  16-22
  1.3 本论文的选题依据、研究思路和主要内容  22-23
2 原位聚合制备 PANI/CMC 纳米棒超级电容器复合电极材料及性能研究  23-35
  2.1 引言  23-24
  2.2 实验部分  24-26
    2.2.1 实验试剂及仪器  24-25
    2.2.2 PANI/CMC 复合电极材料的制备  25
    2.2.3 PANI/CMC 复合电极材料的表征  25-26
    2.2.4 PANI/CMC 复合电极材料电化学性能测试  26
  2.3 结果与讨论  26-34
    2.3.1 复合材料的制备过程示意图  26-27
    2.3.2 材料的 SEM 和 TEM 分析  27-28
    2.3.3 材料的 XRD 分析  28
    2.3.4 材料的 FT-IR 分析  28-29
    2.3.5 材料的电化学性能分析  29-34
  2.4 小结  34-35
3 原位插层聚合制备 PPy/MoS_2超级电容器复合电极材料及性能研究  35-48
  3.1 引言  35-36
  3.2 实验部分  36-38
    3.2.1 实验试剂及仪器  36-37
    3.2.2 电极材料的制备  37
    3.2.3 材料的表征  37-38
    3.2.4 电化学性能测试  38
  3.3 结果与讨论  38-47
    3.3.1 PPy/MoS_2纳米复合材料的形成机理  38-39
    3.3.2 材料的结构与形貌分析  39-42
    3.3.3 材料的电化学性能分析  42-47
  3.4 小结  47-48
4 CuS@PPy 纳米球超级电容器复合电极材料的制备及性能研究  48-56
  4.1 引言  48
  4.2 实验部分  48-50
    4.2.1 实验试剂及仪器  48-49
    4.2.2 电极材料的制备  49-50
    4.2.3 材料的表征  50
    4.2.4 电化学性能测试  50
  4.3 结果与讨论  50-55
    4.3.1 材料的形貌与结构分析  50-52
    4.3.2 材料的电化学性能分析  52-55
  4.4 小结  55-56
参考文献  56-67
硕士期间发表论文  67
硕士期间所获奖励情况  67-68
致谢  68

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