论文摘要
聚苯胺和聚吡咯具有独特的电化学活性、较强的化学稳定性、原料易得廉价、制备方法简单等优点。研究表明将苯胺与吡咯共聚可以综合两者之间的优势,电导率、比电容和热稳定性都有所改善。而导电聚合物的机械性能和电化学循环稳定性较差,则可通过与高比表面积和优异电导特性的石墨烯进行复合得到显著改善。本文以石墨烯为苯胺和吡咯的导电载体,采用简单的原位化学氧化聚合法制备出聚苯胺、聚吡咯和苯胺一吡咯共聚物三种纳米复合材料,并探讨了其作为超级电容器电极材料与气体传感材料的应用潜力。主要研究结论如下：1.石墨烯对导电聚合物构象的影响：对石墨烯/聚苯胺、聚吡咯及（苯胺—吡咯）共聚物三种纳米复合材料进行结构表征,着重研究了石墨烯对导电聚合物的生长方式的影响。研究表明纯导电聚合物薄层可以均匀包覆在石墨烯表面,其共轭程度有所提高。对共聚物而言,聚苯胺和聚吡咯成分在石墨烯上的生长具有倾向性,聚苯胺层紧贴石墨烯表面,与聚吡咯层形成夹层结构。石墨烯/（苯胺—吡咯）共聚物复合材料在酸性、中性与碱性电解液中的电化学行为与石墨烯/聚吡咯相类似。这种夹层结构的形成是因为石墨烯的六元环原子结构与聚苯胺的六元环可形成更强的共轭作用,而苯胺与吡咯在聚合机理的差异也有益于聚苯胺与石墨烯的紧密结合。2.石墨烯/导电聚合物超级电容器电极材料：将上述三种复合材料制成超级电容器电极,着重研究石墨烯/（苯胺-吡咯）共聚物纳米复合材料的电化学行为,并与其它复合电极材料进行对比。研究表明石墨烯／导电聚合物表现出较宽的电化学窗口。当石墨烯与导电聚合物的比为3：2时,石墨烯/聚苯胺、石墨烯/聚毗咯和石墨烯/（苯胺-吡咯）共聚物复合电极的比电容均达到最大,在1 mV/s扫描速率下,分别达到496、504和541 F/g。研究还证实石墨烯/（苯胺-吡咯）共聚物综合了聚苯胺与聚吡咯的优异性能,在中性电解液中具有更好的电化学行为,表现出较高的内层区域电荷存储的利用率（37.59%）,较高的库伦效率（97.7%）,优异的能量密度（94.1Wh/kg）和功率密度（12.7 kW/kg）和最小的电子转移的电阻,且经过500次循环后,比电容可保留了86%。3.石墨烯/导电聚合物气体传感材料：采用叉指电极与化学电阻测试方式,研究石墨烯/导电聚合物对挥发性有机化合物的传感行为,发现只有石墨烯/聚苯胺适于用作有机气体传感材料,特别是对氨气和甲醛气体表现出优异的传感行为。除了石墨烯对检测气体的吸附作用以外,石墨烯/聚苯胺复合材料对于氨气的响应主要来源于聚苯胺与氨气分子之间的质子化反应；对于甲醛的响应主要来源于聚苯胺与甲醛反应形成可逆的甲醇胺中间体,且二者之间存在着氢键作用。当石墨烯/聚苯胺厚度为3.1nm时,其传感性能最优。对氨气而言,石墨烯／聚苯胺复合材料的响应系数在50～10000 ppm浓度间表现出线性增长的趋势,其饱和响应系数为0.59,响应时间为100 s,检测灵敏度为1.O×10-3/ppm,最低检测限为10 ppm。对甲醛而言,响应系数在20～250ppm之间与甲醛浓度呈较好的线性关系,其饱和响应系数为0.32,响应时间为101s,检测灵敏度为1.1×10-3/ppm,最低检测限为4 ppm。