聚吡咯基纳米复合电极材料的研究

论文摘要

导电高分子聚吡咯因其特殊的结构和物理化学性能在能源储存、分子器件及金属防腐等多个领域倍受关注。作为储能器件的电极材料,聚吡咯具有良好的导电性、较强的电荷贮存能力、良好的环境稳定性等优点,但与电化学聚合相比,采用化学氧化聚合法制备的聚吡咯所表现出来的电化学性能并不理想,比电容偏低。实验表明聚吡咯基的纳米复合材料可以有效地改善其电容特性。本文分别以原位化学聚合法制备了聚吡咯/多壁碳纳米管（PPy-MWNTs）和聚吡咯/氢氧化镍（PPy-Ni（OH）2）纳米复合材料,并通过共混方式制备了PPy-MWNTs-Ni（OH）2三元纳米复合电极材料。本文的研究结果总结如下：（1）聚吡咯厚度与电解液对聚吡咯/多壁碳纳米管（PPy-MWNTs）复合体系电化学性能的影响：通过控制多壁碳纳米管与吡咯单体的质量比,可以控制PPy-MWNTs纳米复合体系中聚吡咯壳层的厚度,发现当碳纳米管含量为40%时,复合体系的电化学性能最优。在1 mV/s扫描速率下,其比电容达602 F/g；且体系具有较好的循环稳定性,循环500次后,比电容衰减为初始值的77.1%；通过考察复合电极材料在酸性电解液（0.1 M H2SO4）、中性电解液（0.1 M Na2SO4和0.1 MK2SO4）、碱性电解液（0.1 M NaOH和0.1 M KOH）及混合电解液（0.05M NaOH+0.05 M Na2SO4）中的电化学性能,讨论了电解液种类对其电化学性能的影响,并采用阻抗法探讨了不同电解液中复合电极材料的电化学过程。（2）聚吡咯/氢氧化镍（PPy-Ni（OH）2）纳米复合材料：以水合肼为碱液、硝酸镍为镍源,采用水热法合成了β-Ni（OH）2,制备过程未使用模板,方法简单方便。改变水热反应条件,发现随着固含量的减少,纳米粒子的尺寸逐渐减小,但其晶型结构并没有发生变化；随着pH值的增大,纳米粒子的形状由六角形向椭圆状转变。分别在超声搅拌条件下,采用原位化学氧化聚合法实现聚吡咯与不同形貌的氢氧化镍的复合。实验表明采用较小粒径的β-Ni（OH）2与聚吡咯纳米复合材料具有较好的电化学性能。当氢氧化镍（粒径约为40 nm）与吡咯单体的质量比为1：4时,PPy-Ni（OH）2复合材料的电化学性能最优,在1mV/s扫描速率下比电容达475.3 F/g。循环500次后比电容衰减为初始值的59.5%。（3） PPy-MWNTs-Ni（OH）2三元纳米复合电极材料：将最优化的PPy-MWNTs和PPy-Ni（OH）2两种纳米复合体系物理共混制备了PPy-MWNTs-Ni（OH）2三元纳米复合材料。研究表明PPy-MWNTs与PPy-Ni（OH）2的质量比为1：3时,复合材料的电化学性能最优。在1mV/s的扫描速率下在0.5 M KOH+0.5 M Na2SO4混合电解液中比电容达789.4 F/g。在10 mV/s的扫描速率下,循环500次后衰减为初始值的29.1%。相对于二元纳米复合电极材料,三元材料的电化学性能得到有效的提高,其根源可以归结于三元复合体系有效地发挥了各自组分的优势与协同作用,其中多壁碳纳米管在三元复合体系中呈三维网络结构,提供了良好的电子通道,而聚吡咯也有效地提高了复合电极材料的黏附性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超级电容器
• 1.1.1 超级电容器的结构
• 1.1.2 超级电容器的分类
• 1.1.3 超级电容器的市场前景
• 1.2 超级电容器电极材料
• 1.2.1 聚吡咯
• 1.2.2 碳纳米管
• 1.2.3 氢氧化镍
• 1.3 导电高分子基纳米复合电极材料
• 1.3.1 导电高分子/无机物纳米复合材料的分类及研究进展
• 1.3.2 导电高分子/无机纳米复合材料的制备方法
• 1.4 超级电容器电解质
• 1.5 课题的提出及研究内容
• 第二章 聚吡咯厚度对聚吡咯/多壁碳纳米管复合体系电化学特性的影响
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 实验设备
• 2.2.3 实验步骤
• 2.2.4 性能表征及测试方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 壳层聚吡咯厚度的变化
• 2.3.2 电导率
• 2.3.3 循环伏安测试
• 2.3.4 阻抗测试
• 2.3.5 电解液对复合体系电化学性能的影响
• 2.3.6 循环稳定性
• 2.4 本章小结
• 第三章 聚吡咯/氢氧化镍纳米复合电极材料的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 实验步骤
• 3.2.4 性能表征及测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 扫描电镜（SEM）
• 3.3.2 傅立叶红外谱图（FT-IR）
• 3.3.3 X-射线衍射（XRD）
• 3.3.4 热失重分析（TGA）
• 3.3.5 循环伏安测试（CV）
• 3.3.6 交流阻抗测试（EIS）
• 3.3.7 循环稳定性
• 3.4 本章小结
• 2三元复合体系的研究'>第四章 PPy-MWNTs-Ni（OH）₂三元复合体系的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验设备
• 4.2.3 实验步骤
• 4.2.4 性能表征及测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 傅立叶红外谱图（FT-IR）
• 4.3.2 X-射线衍射谱图（XRD）
• 4.3.3 循环伏安曲线（CV）
• 4.3.4 交流阻抗（EIS）
• 4.3.5 循环稳定性
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢