碳纳米管/聚苯胺复合材料的染料吸附和电化学性能研究

论文摘要

聚苯胺（PANI）具有良好的酸掺杂/碱脱掺杂特性、可逆的氧化还原特性和较好的环境稳定性,与水中的染料之间存在较强的吸引力,可以有效地应用于污水中的染料吸附。但是,在应用过程中,PANI的紧密堆积和比表面积低等因素使得其吸附效率较低,尤其当染料溶液浓度较高时,PANI的吸附效果显著下降,极大地限制了其在污水处理中的应用效果。因此,本文着眼于利用碳纳米管（CNTs）长径比高和比表面积大的优势,采用界面聚合合成工艺,制备得到具有多层次孔结构的碳纳米管/聚苯胺（CNT/PANI）复合材料,增大了PANI与染料间的有效接触面积,显著提高了对染料的吸附容量和吸附效率。采用电子扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征CNT/PANI复合物的微观形貌和结构,观察到其具有显著的多层次孔隙结构,长径比高的CNTs发生缠绕和卷曲,构成多孔的网络支撑骨架,而PANI包覆在CNTs表面形成多孔的复合材料。我们进而测试了CNT/PANI复合物对水中孔雀石绿（MG）染料的吸附性能。实验结果表明,掺入CNTs显著提高了PANI复合物对MG的吸附容量和吸附效率,当MG初始浓度为16mg/l时,其吸附率提高了15%。这种高的吸附效率归因于复合物的多层次孔隙结构和高的比表面积。同时,我们观察到MG的初始浓度对吸附容量和吸附效率有较大影响,即随着初始浓度的增大,其吸附量增加,但吸附率下降。此外,通过对吸附动力学和吸附等温线理论分析,发现CNT/PANI复合材料的吸附过程较好地符合Pseudo-second-order模型,其等温吸附曲线可以用Langmuir模型解释。另外,本文还探讨了动态界面聚合法合成的CNT/PANI复合材料的电化学性能。采用三电极测试体系测试了复合材料的循环伏安、交流阻抗曲线。结果表明复合材料的比容量达822.1F/g,比纯PANI的比电容743.7F/g提高10.5%;并且,CNT/PANI复合物的电荷转移阻抗降低,加速了PANI发生氧化还原反应的进程,具有较好的超级电容器特征。综上所述,静态界面聚合法合成的CNT/PANI复合物具有多层次孔隙结构,极大地提高了对水中染料的吸附容量和吸附效率。同时动态界面法合成的CNT/PANI复合物具有较好的电化学性能。从而界面法合成的碳纳米管/聚苯胺复合材料有望在污水吸附材料和超级电容器电极材料等领域得到开发和应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 聚苯胺的概述
• 1.1.1 聚苯胺的合成机理
• 1.1.2 聚苯胺的结构与性能特点
• 1.1.3 聚苯胺的应用进展
• 1.2 碳纳米管的概述
• 1.2.1 碳纳米管的结构特点
• 1.2.2 碳纳米管的合成方法
• 1.2.3 碳纳米管的应用进展
• 1.3 碳纳米管/聚苯胺复合材料的合成方法
• 1.3.1 共混法
• 1.3.2 化学氧化原位聚合法
• 1.3.3 电化学聚合法
• 1.4 聚苯胺及其复合物在染料吸附与电化学性能方面的应用进展
• 1.4.1 聚苯胺及其复合物在染料吸附方面的应用进展
• 1.4.2 聚苯胺及其复合物在电化学性能方面的应用进展
• 1.5 目前存在的问题和本课题研究思路
• 1.6 本论文的主要内容
• 第二章 界面法合成碳纳米管/聚苯胺复合物
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要实验原料
• 2.2.2 主要仪器
• 2.2.3 单体苯胺的精制
• 2.2.4 静态界面合成法
• 2.2.5 动态界面合成法
• 2.2.6 微观测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 SEM 表征
• 2.3.2 XRD 表征
• 2.4 小结
• 第三章 CNT/PANI 的染料吸附性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要仪器
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 工作曲线的测定
• 3.2.4 吸附性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 工作曲线的绘制
• 3.3.2 吸附容量和吸附效率
• 3.3.3 吸附动力学分析
• 3.3.4 吸附等温线分析
• 3.4 小结
• 第四章CNT/PANI 的电化学性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 主要仪器
• 4.2.3 工作电极、电解液和盐桥的制备
• 4.2.4 电化学测试体系
• 4.2.5 电化学测试方法参数设置
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 循环伏安曲线
• 4.3.2 交流阻抗特性
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢