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CNFs基柔性电致变色薄膜超级电容器制备及性能研究

作　者: 王茜
导　师: 邵自强
学　校: 北京理工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 纤维素纳米纤维 层层自组装 杂化薄膜电极 柔性透明超级电容器 电 致变色 电解质离子扩散
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


纤维素纳米纤维（CNFs）具有优良的透明性，良好的柔性以及很低的热膨胀系数，这使其成为潜在的可以用于制备柔性超级电容器电极的材料，本论文论证了以CNFs膜为基材，以聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠（PEDOT:PSS）或还原氧化石墨烯（RGO）为导电层，以聚苯胺（PANI）为电致变色层，采用层层自组装法和原位聚合法制备柔性透明薄膜电极的可行性，免去了传统柔性基体在进行层层自组装时要进行表面处理的复杂过程。通过对薄膜电极及使用这些电极制备的超级电容器的表征，分析了不同电极及柔性电致变色超级电容器的性能特征，阐述了电极微观结构对电解质离子的扩散乃至超级电容器的电性能的影响规律。以CNFs膜、PANI、PEDOT:PSS分散液为原料，采用层层自组装方法制备的CPP-n电极光学透明度高，表面均匀，但是薄膜结构致密，不利于电解质离子的传输。利用CPP-8电极制备的超级电容器S-PP-8虽然整体的电化学性能并不十分理想，但是其光学透明度高，在550nm处透光率达到47.1%，可以发生明显的电致变色现象。以CNFs膜、PANI、氧化石墨烯（GO）分散液为原料，采用层层自组装方法制备的CPG-n复合膜，经过HI处理后，得到CPRG-n复合膜，其表面均匀，结构疏松，有利于电解质离子的传输。利用CPRG-8电极制备的超级电容器S-PG-8受到RGO的影响，其透明度不理想，在550nm处的透光率为30.6%，难以直接观察到电致变色现象，但是其兼有双电层和赝电容超级电容器的优点，性能稳定且单位面积电容较大。研究还采用层层自组装法制备CNFs/RGO5薄膜，然后利用原位聚合法制备CRGP薄膜电极，结果表明，薄膜表面不均匀，但是疏松多孔，有利于电解质离子的传输。利用CRGP电极制备的超级电容器S-RGP在2mV·s-1的扫描速率下单位面积电容达到19.76mF·cm-2，但其透明性低，在550nm处的透光率只有16.8%。进一步利用层层自组装法制备CNFs/[Cu2+-GO]5/[PANI-PEDOT:PSS]10复合膜，并采用HI将其还原后得到CRGPP-10薄膜电极，其表面均匀，但是结构致密，不利于电解质离子的传输。由于RGO的存在，利用CRGPP-10电极制备的超级电容器S-RGPP的电化学性能明显优于S-PP-8，其透明性较好，在550nm处的透光率为37.8%。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章 绪论  13-24
  1.1 本论文研究的目的和意义  13-14
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  14-23
    1.2.1 电致变色材料的研究现状  14-18
    1.2.2 透明导电材料的研究现状  18-19
    1.2.3 纤维素纳米纤维基体材料研究现状  19-21
    1.2.4 柔性电致变色复合膜及其器件研究现状  21-23
  1.3 论文的主要内容  23-24
第二章 CPP-N 与 CPRG-N 柔性透明导电膜的制备与表征  24-41
  2.1 引言  24
  2.2 实验部分  24-30
    2.2.1 实验试剂  24-25
    2.2.2 实验仪器  25-26
    2.2.3 实验步骤  26-30
  2.3 表征方法  30-31
    2.3.1 透射电子显微镜(TEM)  30
    2.3.2 原子力显微镜(AFM)  30
    2.3.3 Zeta 电位测试  30
    2.3.4 紫外可见吸收光谱(UV-Vis)  30
    2.3.5 X 射线衍射(XRD)  30
    2.3.6 拉曼光谱(Raman)  30
    2.3.7 X 射线光电子能谱(XPS)  30-31
    2.3.8 扫描电子显微镜(SEM)  31
  2.4 结果与讨论  31-39
    2.4.1 CNFs 分散液与 CNFs 膜的分析  31-32
    2.4.2 PANI、PEDOT:PSS、GO 的微观结构分析  32
    2.4.3 CNFs、 PANI、PEDOT:PSS、GO 分散液的 Zeta 电位分析  32
    2.4.4 CPP-n、CPG-n 的 UV-Vis 谱图分析  32-35
    2.4.5 CPP-8、CPG-8、CPRG-8 复合膜的 XRD 分析  35
    2.4.6 CPP-8、CPRG-8 复合膜的 Raman 分析  35-36
    2.4.7 CPP-8、CPRG-8 复合膜的 XPS 分析  36-38
    2.4.8 CPP-8 、CPRG-8 的表面与截面形貌分析  38-39
  2.5 本章小结  39-41
第三章 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的制备及其性能对比  41-53
  3.1 引言  41
  3.2 实验部分  41-42
    3.2.1 实验原料  41
    3.2.2 实验仪器  41-42
    3.2.3 实验步骤  42
  3.3 性能表征  42-44
    3.3.1 电化学性能表征  42-43
    3.3.2 UV-vis 光谱表征  43-44
  3.4 结果与讨论  44-52
    3.4.1 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的 CV 分析  44-45
    3.4.2 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的 GCD 分析  45
    3.4.3 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的单位面积电容分析  45-47
    3.4.4 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的 EIS 分析  47-49
    3.4.5 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的循环稳定性分析  49-50
    3.4.6 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的柔性分析  50
    3.4.7 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的透明性对比  50-51
    3.4.8 超级电容器 S-PG-8 与 S-PP-8 的电致变色性能分析  51-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章 CRGP 导电膜的制备及其在超级电容器中的应用  53-66
  4.1 引言  53
  4.2 实验部分  53-55
    4.2.1 实验试剂  53-54
    4.2.2 实验仪器  54
    4.2.3 实验步骤  54-55
  4.3 性能表征  55-56
    4.3.1 UV-vis 光谱表征  55
    4.3.2 XRD 表征  55
    4.3.3 SEM 表征  55-56
    4.3.4 电化学性能表征  56
  4.4 结果与讨论  56-64
    4.4.1 CRGP 的 UV-vis 光谱  56-57
    4.4.2 CRGP 的 XRD 分析  57-58
    4.4.3 CRGP 表面与截面形貌分析  58
    4.4.4 超级电容器 S-RGP 的 CV 分析  58-59
    4.4.5 超级电容器 S-RGP 的 GCD 分析  59-60
    4.4.6 超级电容器 S-RGP 的面电容分析  60
    4.4.7 超级电容器 S-RGP 的 EIS 分析  60-61
    4.4.8 超级电容器 S-RGP 的循环稳定性分析  61-62
    4.4.9 超级电容器 S-RGP 的柔性分析  62-63
    4.4.10 超级电容器 S-RGP 的透明性  63
    4.4.11 超级电容器 S-RGP 的电致变色性能分析  63-64
  4.5 本章小结  64-66
第五章 CRGPP-10 导电膜的制备及其在超级电容器中的应用  66-78
  5.1 引言  66
  5.2 实验部分  66-67
    5.2.1 实验试剂  66-67
    5.2.2 实验仪器  67
    5.2.3 实验步骤  67
  5.3 性能表征  67-69
    5.3.1 UV-vis 光谱表征  67-68
    5.3.2 XRD 表征  68
    5.3.3 SEM 表征  68
    5.3.4 电化学性能表征  68-69
  5.4 结果与讨论  69-77
    5.4.1 CNFs/[Cu~(2+)-GO]_5/[PANI-PEDOT:PSS]_n的 UV-Vis 谱图分析  69
    5.4.2 CRGPP-10 的 XRD 分析  69-70
    5.4.3 CRGPP-10 的表面与截面形貌分析  70
    5.4.4 超级电容器 S-RGPP 的 CV 分析  70-71
    5.4.5 超级电容器 S-RGPP 的 GCD 分析  71-72
    5.4.6 超级电容器 S-RGPP 的面电容分析  72-74
    5.4.7 超级电容器 S-RGPP 的 EIS 分析  74
    5.4.8 超级电容器 S-RGPP 的循环稳定性分析  74-75
    5.4.9 超级电容器 S-RGPP 的柔性分析  75-76
    5.4.10 超级电容器 S-RGPP 的透明性  76
    5.4.11 超级电容器 S-RGPP 的电致变色性能分析  76-77
  5.5 本章小结  77-78
结论与展望  78-80
参考文献  80-87
攻读学位期间发表论文与研究成果清单  87-88
致谢  88

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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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