基于聚苯胺的复合电极材料制备及电化学性能研究

发布时间：2018-08-11 14:43

【摘要】：随着经济和科技的快速发展,环境污染日益严峻,能源问题迫在眉睫,能量储存元件超级电容器和能量转换元件燃料电池受到工业界和科研界的高度重视。而电极材料作为能量储存与转化元件的重要组成部分对元件整体的电性能有着不可替代的作用,种类繁多的电极材料中导电聚合物聚苯胺凭借其原料易得、合成简单、环境友好、电导率高和热稳定性良好等优势成为电极材料领域研究的热点。但由于导电聚苯胺加工性能与物理学性能不够理想的缺点,某种程度上限制了其在储能元件上的应用。本文利用简单的化学法将有着赝电容性能的导电聚苯胺与有着双电层电容性能的碳材料如碳布、羧基化碳纳米管进行复合制得超级电容器电极材料。导电聚苯胺和碳材料的共同作用,不但弥补了聚苯胺机械性能的不足、加强了电极材料的循环稳定性,还提高了电极材料的比电容、能量密度和功率密度。在此基础上,我们通过对复合材料的进一步加工,延伸的研究了聚苯胺基和苯胺@吡咯共聚物基电极材料的氧还原催化性能,主要研究工作概括如下:1)利用导电性能优越、比表面积大的羧基氧化碳纳米管为支撑骨架合成了海参状聚苯胺@羧基氧化碳纳米管超级电容器复合电极材料,并在结构、比表面积、热稳定性以及电化学性能上与聚苯胺@未功能化的碳纳米管复合材料进行了对比。结果表明海参状复合材料具有较大的比表面积和热稳定性,且表现出较为优越的电化学性能,如良好的循环稳定性、优异的倍率效应和较好的电容性能。除此之外,较为深入的探讨了碳纳米管材料经过表面官能化后, COO-与 NH=之间的化学键对复合材料电化学性能的影响,说明传统材料的表面处理对材料性能的改善有着重要的意义。2)在不同的温度环境下采用原位聚合的方法合成了聚苯胺@碳布复合超级容器电极材料。研究结果显示,在不同聚合温度环境下得到聚苯胺具有不同的形貌,相对于室温条件下制得的聚苯胺纤维,冰水浴环境中制得的聚苯胺纳米棒有着更小的长度(50 nm)和直径(20 nm),且聚苯胺纳米棒规则均一的覆盖在碳布表面形成三维多孔的立体结构,为活性材料与电解液的接触提供了更大的比表面积,也为电解液离子和电子的传输提供了较短的路径。与纯聚苯胺材料对比,聚苯胺@碳布复合材料的电化学性能明显增强,特别是在冰水浴环境中合成的聚苯胺@碳布复合材料表现出优良的电化学性能,在1 A g-1的电流密度下,其比电容可达到439 F g-1,在功率密度为500 W kg-1时,其能量密度可达60.83 Wh kg-1,且循环稳定性良好。3)通过简单的化学法利用不同的氧化剂在碳布载体表面合成了结构可控的聚苯胺,SEM结果表明,不同氧化剂的使用对应着不同的聚苯胺结构:当以Fe Cl3为氧化剂时,产物为均匀覆盖型聚苯胺;当以H2O2为氧化剂时,产物为层层纤维状聚苯胺;当以MnO2为氧化剂时,产物为有序面条型聚苯胺。进一步通过电化学性能测试探讨了结构对聚苯胺电极材料的影响,结果表明孔隙率相对较大的、聚苯胺纳米棒有序垂直排列的面条型聚苯胺表现出最佳的电化学性能,在1 A g-1的放电电流密度下,其比电容可达560.5 F g-1。可见聚苯胺结构的研究对其在储能元件中的应用有着非常重要的意义。4)以聚苯胺和铁、钴、铜的氯化物为前躯体,采用三步法(聚合反应、络合反应和高温热解反应)合成了Fe-N/C,Cu-N/C和Co-N/C氧还原催化剂电极材料,并对其电化学性能进行了表征。结果表明,经过金属掺杂的催化剂电极材料氧还原能力明显提升,但不同金属元素的氧还原活性不同,铁掺杂的催化剂电极材料氧还原能力最佳;且金属离子络合反应的时间及氮气氛围下高温热解时的温度对电极材料的氧还原活性影响也较大,经过电化学性能分析,我们得出最佳络合反应时间为6 h,最佳热解温度为900℃。5)在氮气保护下,通过对铁掺杂的苯胺吡咯共聚体复合材料的高温热解,得到了价格低廉的且电化学性能优良的氧还原催化剂Fe-N/C电极材料。苯胺@吡咯共聚体通过原位聚合法修饰在碳布表面,作为碳源和氮源的前躯体,再经过络合反应实现了金属离子配位,最终经过高温碳化作用制得了Fe-N/C催化剂电极材料。研究中深入分析了催化剂材料氧还原性能提高的原因,实验结果表明,在850℃条件下制备的催化剂电极材料有着丰富的活性位点,且在碱性电解液体系中,其氧还原起始电位17 mV(vs.Ag/Ag Cl),接近催化剂材料Pt/C的28 mV。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53;TB33

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