基于聚吡咯的纳米碳材料在电化学储能中的应用

【摘要】一直以来，对于双电层超级电容器（EDLC）的研究，主要的都是集中在优化材料孔道结构和提升材料比表面积两个方向。然而，由于碳材料双电层电容器容易发生聚集并且有效比表面积较低从而导致了电容存储量很低，这极大地限制了碳材料电容器的实际应用。目前，将双电层储能和赝电容储能结合在一起是解决低电容量较好的办法。另外，利用一维的纳米管/纳米线/纳米须和二维的石墨烯结合起来得到复合的三维结构的方法受到了广泛重视，这种结构能够有效增加比表面积并优化孔道结构。因此，在本文的工作中我们主要研究了一维和二维复合的超级电容器材料，具体如下：（1）通过“反应性自降解模板”合成出样品并作进一步碳化的处理，我们得到了一种氮掺杂和氧掺杂的碳化聚吡咯纳米管材料。接着对这种材料进行了KOH高温活化，并分别调节KOH与其的质量比为2或4，最终得到了两种活化过的碳化聚吡咯管并分别命名为ACPN-2和ACPN-4。其中，ACPN-4样品具有较高的杂原子含量（14.85%）和比表面积（1226m2g-1）。重要地是，ACPN-4在0.2Ag-1的电流下电容能达到470Fg-1，即使电流密度达到10Ag-1电容依然能够保持280Fg-1。同时，这些管状纳米碳材料作为电极能够经历10000次的充放电而不发生任何电容衰减。并且，这些材料在273K和298K温度下的CO2吸附量分别能达到3.9mmolg-1和2.5mmolg-1。（2）我们将氧化石墨水分散液与上述“反应性自降解模板”结合，利用一锅反应制备了一维聚吡咯管/二维石墨烯复合材料这一前驱体，再经过还原和碳化等过程制备出了活化过的碳化聚吡咯管/石墨烯三维复合材料。在这个体系中，甲基橙和三氯化铁作为模板自组装成棒状结构使得吡咯在其表面聚合并与氧化石墨发生共混，从而自发的形成多级的三维纳米结构。同时，三维结构的形貌还可以通过加入的氧化石墨和吡咯单体的比例进行调节。最终，得到的材料具备了优异的电容存储和高的导电性，且在10000次充放电后依然保持94.5%的初始电容量。
【作者】郭承鑫；
【导师】屠迎锋；杨晓明；
【作者基本信息】苏州大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】electricaldouble-layer；supercapacitor；nanotubes；graphene；polypyrrole；

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