碳基柔性电极材料的制备和性能研究

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1、密级无分类号TB33XI’ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY硕士学位论文题目:碳基柔性电极材料的制备和性能研究作者：尚嘉茵指导教师：王素敏副教授王奇观教授申请学位学科：材料学2018年5月5日碳基柔性电极材料的制备和性能研究学科：材料学研究生签字：指导教师签字：摘要超级电容器因具有高功率密度、快速充放电、循环稳定性高及瞬时提供大电流等优点，被广泛应用于诸多领域。传统超级电容器刚性有余但柔性欠缺，已经不能满足人们对柔性可穿戴便携器件的需求，因此新型柔性超级电容器的研制受到极大关注。如何制备出高电化学活性的柔性电极材料成为最关键的问题。基于多壁碳纳米管（MWN

2、T）、还原氧化石墨烯（rGO）等常用纳米碳材料与聚苯胺（PANI）等导电聚合物各具优缺点，本论文主要利用MWNT、rGO与PANI间的协同作用，制备出比容量高、循环稳定性好的柔性复合电极材料。一方面采用亲水性有机质子酸为掺杂剂，制备出环境友好型的水性自支撑薄膜材料；另一方面，采用表面含有丰富亲水基团的石墨烯量子点（GQD）作为MWNT、rGO、PANI和柔性碳布间的连接体，分别利用原位聚合、层-层自组装的方法将GQD、MWNT、rGO、PANI负载至碳布表面，获得性能优异的柔性电极材料。具体如下：（1）采用界面聚合法制备了不同rGO含量（0wt%，0.5wt%，1wt%，

3、2wt%）的聚苯胺/石墨烯（PANI/rGO）纳米复合物。通过含长亲水链的有机质子酸PA-550对复合物进行二次掺杂，引入亲水基团，从而制备了环境友好型cPANI/rGO的水分散液；并采用溶液浇铸法获得其柔性薄膜。结果表明：cPANI/rGO水性分散液具有较好的稳定性，且制得的薄膜具有较高韧性；由于rGO的存在，与纯PANI相比，复合材料电导率、比电容、循环寿命均显著提高。当rGO质量含量在1%时，比电容达到最高（343.3F/g）。（2）采用原位聚合法制得PANI/碳布柔性电极，同时为增大活性物质负载量，通过π-π相互作用将表面含羧基官能团的GQD修饰到MWNT表面，在

4、不破坏MWNT结构的基础上，增强其水溶性，形成均一稳定的MWNT/GQD分散液。进一步利用静电力、π-π相互作用、氢键等将PANI原位聚合至MWNT/GQD/碳布表面，形成电化学性能良好的MWNT/GQD/PANI/碳布柔性复合电极材料。由于MWNT/GQD的加入，电极材料亲水性能显著提升，碳布表面活性物质负载量明显增大。当扫描速率为30mV/s时，MWNT/GQD/PANI/碳布电极比电容可达361.5mF/cm2，与PANI/碳布电极比电容相比提升近3倍。将其组装成固态柔性超级电容器，恒流充/放电结果表明MWNT/GQD/PANI/碳布电极面积比电容与PANI/碳布电

5、极相比得到明显提升，MWNT/GQD/PANI/碳布电极的电容保持率也由PANI/碳布电极的25.5%提升至85%。（3）为解决rGO与PANI的表面惰性、水溶性差，且在复合过程中容易各自发生团聚的问题。通过π-π相互作用，将表面具有丰富官能团的水溶性GQD修饰至rGO表面，形成分散均匀的rGO/GQD水溶液。以rGO/GQD表面-COO-和PANI链上–NH+-之间的静电作用及与碳布间的π-π相互作用为驱动力，将均一稳定的rGO/GQD和PANI分散液交替沉积在碳布基底表面，形成(rGO/GQD/PANI)n/碳布复合电极材料。当组装层数为20层时，rGO/GQD与PA

6、NI颗粒均匀致密包裹在碳布纤维表面，形成多孔结构，将其与PVA/H3PO4固态凝胶电解质组装成全固态柔性超级电容器，恒流充/放电测试表明，(rGO/GQD/PANI)220/碳布面积比电容可达28.86mF/cm，且拥有良好的循环稳定性，电容保持率达84%。关键词：石墨烯；碳纳米管；石墨烯量子点；聚苯胺；固态柔性超级电容器PreparationandPerformanceofCarbon-basedFlexibleElectrodeMaterialsDiscipline:MaterialsScienceStudentSignature:SupervisorSignatur

7、e:AbstractBenefitingfromitshighpowerdensity,fastcharginganddischargingcapability,highcirculationstabilityandinstantaneouslargecurrentsupplying,supercapacitorhasbeenwidelyusedinmanyfields.Withtheincreasingdemandingforflexibleandwearableportabledevices,thedevelopments