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有序介孔炭/聚苯胺的制备及电化学性能

作　者: 刘文晓
导　师: 宋怀河
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料学
关键词: 有序介孔炭 聚苯胺 复合材料 电容器
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 166次
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内容摘要


近年来,超级电容器的研究成为一个热点,而多孔炭和导电聚合物复合材料则是超级电容器电极材料中性能非常好的一种。而多孔炭材料中的有序介孔炭由于其孔道均一、高的比表面积,循环性能良好而成为人们青睐的电极材料之一,而作为导电高聚物之一的聚苯胺,由于具有高的能量密度、可逆的电化学活性和高的室溫电导率等,也成为电极材料的首选。因此,本文制备出有序介孔炭/聚苯胺复合材料并对其电化学性能做了研究。本文采用一步法合成出有序介孔炭（ordered mesoporous carbon,OMC）材料,通过原位聚合法将苯胺单体在OMC表面原位聚合制备了不同配比的有序介孔炭/聚苯胺（OMC/PANI）复合材料,考察了PANI含量、超声与否对OMC/PANI复合材料形态、结构以及电化学性能的影响,揭示复合材料形态结构与其电容行为的关系,为新型高性能超级电容器材料的开发和实际应用奠定基础。原位聚合法制备的有序介孔炭/聚苯胺复合材料形态介于有序介孔炭和聚苯胺之间,没有单独的聚苯胺或者有序介孔炭的颗粒OMC与PANI在原位聚合中结合良好,PANI是以OMC为基体进行反应的,在OMC的表面和内部沉积。原位聚合后的OMC/PANI复合材料在热稳定性方面有了很大的提高。材料复合前,有序介孔炭的氧化温度和聚苯胺的分解温度都较低,复合后,材料的起始氧化和分解温度都不同程度地升高。本文还研究了PANI含量对复合材料电极电化学性能的影响,发现随PANI含量的提高（从15 wt.%到70 wt.%）,复合材料电极的电容量呈现先增加再减小的趋势,聚苯胺含量为60 wt.%时OMC/PANI复合材料首次充放电比容量最高,值为409 F·g-1,并且复合材料的比电容远大于单独的有序介孔炭的比电容,提高了材料的电化学性能:同时可以看出,OMC的比电容主要由双电层电容提供,而加入PANI后的复合材料的比电容除了存在双电层的贡献外,PANI在充放电过程中发生氧化还原反应所提供的赝电容也起了很大的作用。在充放电30次以后,材料的放电比电容基本不再发生变化,趋于稳定。对OMC/PANI复合材料进行循环伏安和交流阻抗测试,可以看出复合材料适合大电流充放电,表明复合材料稳定性良好、充放电循环性良好。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第1章 文献综述  13-34
  1.1 引言  13-14
  1.2 超级电容器  14-18
    1.2.1 超级电容器的特点  14
    1.2.2 超级电容器的分类及储能机理  14-18
      1.2.2.1 双电层电容器  15-17
      1.2.2.2 法拉第准电容器  17
      1.2.2.3 导电聚合物电容器  17-18
      1.2.2.4 混合类型超级电容器  18
  1.3 超级电容器的电极材料  18-20
    1.3.1 多孔炭电极材料  18-19
    1.3.2 过渡金属氧化物电极材料  19
    1.3.3 导电聚合物电极材料  19-20
  1.4 有序介孔炭合成与结构  20-23
    1.4.1 两步法  20-22
    1.4.2 一步法  22-23
  1.5 聚苯胺  23-27
    1.5.1 聚苯胺的研究情况  24
    1.5.2 聚苯胺的结构  24-26
    1.5.3 聚苯胺的制备及表征  26
    1.5.4 聚苯胺的应用  26-27
  1.6 炭与聚苯胺的复合材料  27-31
    1.6.1 复合材料的分类及其制备方法  27-28
    1.6.2 碳纳米管、富勒烯、炭纤维/聚苯胺复合材料  28-30
    1.6.3 石墨/聚苯胺复合材料  30
    1.6.4 炭黑、乙炔黑/聚苯胺复合材料  30
    1.6.5 炭气凝胶、活性炭/聚苯胺复合材料  30-31
    1.6.6 有序介孔炭/聚苯胺复合材料  31
  1.7 选题目的和意义  31-34
    1.7.1 实验目的  31-32
    1.7.2 实验方案  32-34
第2章 实验部分  34-45
  2.1 实验设备与试剂  34-35
    2.1.1 实验原料及试剂  34
    2.1.2 超级电容器制造材料  34-35
    2.1.3 实验用的主要设备  35
  2.2 实验样品的制备  35-41
    2.2.1 有序介孔炭(OMC)的制备  35-36
    2.2.2 聚苯胺(PANI)的制备  36-38
    2.2.3 有序介孔炭/聚苯胺复合材料的制备  38-40
    2.2.4 有序介孔炭/聚苯胺复合材料的物理性质  40-41
  2.3 电极和电池的制作  41-42
    2.3.1 电极制备  41
    2.3.2 电容器的制作  41-42
  2.4 测试与表征  42-45
    2.4.1 扫描电子显微镜(SEM)  42
    2.4.2 热重分析(TG-DSC)  42
    2.4.3 X射线衍射测试(XRD)  42-43
    2.4.4 充放电测试  43
    2.4.5 循环伏安测试  43
    2.4.6 交流阻抗安测试  43-44
    2.4.7 比表面积及孔径分布  44-45
第3章 结果与讨论  45-63
  3.1 OMC/PANI复合材料的结构与表征  45-52
    3.1.1 有序介孔炭的XRD测试  45
    3.1.2 OMC的BET测试及分析  45-47
    3.1.3 扫描电子显微镜分析  47-48
    3.1.4 TG分析  48-52
  3.2 OMC/PANI的电化学性能  52-63
    3.2.1 充放电分析  52-58
    3.2.2 循环伏安测试  58-61
    3.2.3 交流阻抗法测试  61-63
第4章 结论  63-64
参考文献  64-69
致谢  69-70
研究成果及发表的学术论文  70-71
作者及导师简介  71-72
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  72

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