三维石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及其电化学性能研究
超级电容器因具有充放电速度快、存储方便、环境友好以及使用寿命长等性能成为一种新型储能装置，且在能源领域具有广泛的应用。众所周知，电极材料对超级电容器的性能具有决定性的影响。石墨烯（GNs）是一种具有机械性能优良、导电性好、比表面积大等优点的新型碳材料，是制备高性能超级电容器的候选材料之一。单纯的GNs循环稳定性好、功率密度高，但是其比电容较低。由于具有理论比电容高、成本低廉、化学稳定性好等优点，聚苯胺(PANI)作为一种导电高分子经常应用于超级电容器电极材料。但是PANI在导电率和电化学稳定性方面表现不佳，限制了其应用。可以利用协同效应，把GNs和PANI复合在一起制备复合材料，可以实现二者的优势互补，使复合材料具有良好的电化学性能。本论文主要研究了GNs/PANI复合材料的制备工艺、微观结构表征及其电化学性能。主要研究内容如下： （1）在密闭氧化法的基础上，对GO制备过程进行改进。首先对石墨进行微波膨胀处理，原料要进行低温均化处理后，再利用反应釜高温反应制备GO。实验结果表明：制备的GO氧化程度非常高，在水溶液和DMF中分散性很好。 （2）本论文提出了一种简单并且环保的方法制备三维石墨烯（3D-rGO），该方法以CaCO3为模板 GO通过水热反应产生凝胶，同时加入葡萄糖作为还原剂。在还原过程中氧化石墨烯自组装成三维凝胶并包裹住CaCO3颗粒，然后去除模板后得到自支撑3D-rGO，最后把3D-rGO与聚苯胺（PANI）进行复合制备3D-rGO/PANI复合材料。电化学测试表明3D-rGO/PANI复合材料在电流密度为1 A/g时的比电容为243 F/g，并且在1000次循环充放电测试后比电容变为原来的86％。 (3)本论文报道了一种利用交联法制备三维石墨烯（3D-rGO）。首先在GO溶液中加入一种三嵌段共聚物（F68），用以化学剥离氧化石墨，然后用水合肼来还原后便可获得rGO/F68混合物。这种表面套有聚合物的rGO能够形成稳定的水溶液，是因为F68的疏水端PPO以非共价键的作用吸附在rGO的表面上，然而F68的亲水端PEO链则伸展到水中。再加入β-环糊精（β-CD），由于PEO链进入β-环糊精的分子空腔中使rGO片层组装成三维多孔超分子凝胶（rGO/F68/CD），然后通过高温去除表面的超分子（F68和β-CD）制备三维石墨烯（3D-rGO）。采用原位聚合的方法制备了3D-rGO/PANI复合材料，实验表明其展现较高的的比电容（在1 A/g的电流密度下比电容为226 F/g）和很好的循环稳定性。
超级电容器;复合电极材料;石墨烯;聚苯胺;制备工艺;微观结构;电化学性能
南京邮电大学
硕士
光学工程
闵永刚
2015
中文
TM53;TM242:TM205.1
67
2016-11-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）