聚苯胺石墨烯复合材料制备与电化学性能研究

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1、硕士学位论文聚苯胺/石墨烯复合材料制备与电化学性能研究PreparationandElectrochemicalPropertiesofPolyaniline/GrapheneComposite王泽宇哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：620.3密级：公开工学硕士学位论文聚苯胺/石墨烯复合材料制备与电化学性能研究硕士研究生：王泽宇导师：张东兴教授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex

2、:TB332U.D.C:620.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPreparationandElectrochemicalPropertiesofPolyaniline/GrapheneCompositeCandidate：WangZeyuSupervisor：Prof.ZhangDongxingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：MaterialsSc

3、ienceandEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要超级电容器是一种新型的环保储能器件，具有容量大、比功率高及稳定性好等优势，其性能主要由电极材料决定。目前，超级电容器的电极材料主要为碳材料、金属氧化物、导电聚合物以及它们的复合材料。在这些材料当中，石墨烯（GR）具有优异的理论导电性及电化学稳定性，但因表面能较大而易于团聚，使其电容性能远低于理论值；聚苯胺（P

4、ANI）则具有较大的比电容但循环稳定性较差，因此为了达到优势互补并克服各自材料的缺点，制备PANI/GR复合材料被认为具有可行性及广泛的研究前景。本课题制备了GR、PANI及PANI/GR复合材料，在扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及原子力显微镜（AFM）下观察了材料的微观形貌，通过X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）及拉曼光谱（Raman）分析了材料的结构，并通过循环伏安（CV）测试、恒流充放电（GCD）测试及交流阻抗（EIS）测试表征了材料的电化学性能。采用热膨胀剥离法成功制备了薄层GR，电化学测试结

5、果显示，其比电容在5mV/s的扫描速率下达到了178.6F/g，在0.1A/g的电流密度下达到了175.5F/g。在1A/g的电流密度下，其1000次充放电循环的电容保持率高达93.2%，展现了其优异的电化学稳定性。以50%（体积分数）的乙醇水溶液作溶剂，过硫酸铵（APS）为氧化剂（催化剂），浓度为2mol/L的盐酸（HCl）为掺杂酸，在APS与苯胺（AN）单体质量比为1:1时，分别在-40℃、-20℃、0℃、20℃下合成了PANI。研究发现，当温度达到-40℃时，PANI呈开放孔道式的纳米棒状且分布均匀，有利于其导电性与电容性能的提高

6、。在此基础上，用在-40℃下合成的PANI制备电极片，通过优化电极片的制备工艺发现，当PANI、导电碳黑、PVDF的质量比为85:5:15时，PANI基电极片的比电容在5mV/s的扫描速率下达到316.4F/g，在0.1A/g的电流密度下达到302.4F/g。1A/g的电流密度下，其1000次充放电循环的电容保持率仅为31.2%，稳定性较差。在-40℃下利用优化的电极片制备工艺原位制备了PANI/GR复合材料并研究了APS与GR的质量分数、HCl的浓度对复合材料电化学性能的影响。结果表明，当HCl的浓度为1mol/L、AN与APS质量比

7、为1:2、GR的质量分数为10%时，观察到了开放孔道式结构的PANI纳米棒均匀的包覆着GR表面及边缘，较好的抑制了GR的团聚，其中，PANI的尺寸为20~50nm，GR的尺寸约为2m且厚度最小-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文可达0.83nm左右。电化学测试结果表明，PANI/GR复合材料的比电容在5mV/s的扫描速率下高达507.6F/g，在0.1A/g的电流密度下达到496.7F/g。在1A/g的电流密度下其1000次充放电循环的电容保持率为89.2%，展现了其优异的电化学稳定性，为其在超级电容器中的应用奠定了基础。关键词：超级

8、电容器；石墨烯；聚苯胺；复合材料；电化学性能-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSupaercapacitorisanewtypeofenvironmentallyfriendlyener