聚吡咯/石墨烯复合材料的制备及其用于超级电容器电极材料的性能研究

【摘要】超级电容器是一种介于二次电池和传统电容器之间的新型储能装置,具有充放电速度快、能量密度高、循环寿命长和使用温度范围宽等特点。在能源紧缺的当今,人们开始寻找可循环替代能源,因此超级电容器这类新型储能装置的研究显得尤为重要。超级电容器的电极材料直接影响其性能,电极材料就成了该领域的研究热点。石墨烯(GNS)是一种具有二维片层结构的碳材料,由于其较大的表面积、较高的导电性和循环稳定性,作为超级电容器电极材料受到很大的吸引力。聚吡咯(PPy)作为一种典型的导电聚合物,具有较大的比表面积、较好的电容性能和环境友好等优点,作为超级电容器电极材料具有很好的应用前景,然而PPy的循环稳定性和加工性能较差,从而限制了PPy的应用。为了克服这些缺点,我们通过将PPy与GNS材料复合,来改善PPy电极的循环性能,同时优化了GNS电极的电容性能。本论文探讨了GNS、PPy以及PPy/GNS复合材料的电化学性能。主要研究内容如下：1.通过化学氧化还原方法制备了石墨烯(GNS),在1mol/LH2SO4电解质溶液中进行电化学性能测试。采用扣式电池测试了GNS电极的恒电流充放电曲线,结果表明：在0.5A/g电流密度下,GNS电极的首次放电比容量达97.3F/g,经过1000次恒流充放电循环后GNS电极的比容量为91.1F/g,其比容量保留率达97.6%,说明GNS电极具有较高的循环稳定性。在三电极体系中,采用电化学工作站测试了GNS电极在不同扫描速率下的CV曲线,随着扫速的增加GNS电极的比容量下降,扫速为10mV/s时,GNS电极比容量为150.4F/g,当扫速增加到50mV/s,其比容量为119.3F/g。2.以FeCl3·6H2O为氧化剂,在0.05mol/LHCl体系中,通过化学氧化法制备了聚吡咯(PPy)。在1mol/LH2SO4电解质溶液中分别采用恒电流充放电和循环伏安法等方法测试了PPy电极的电化学性能。结果表明：在0.5A/g电流密度下,PPy电极的首次放电比容量为400.0F/g,经过1000次充放电循环后,PPy电极的比容量下降为344.4F/g,其比容量保留率为86.1%,说明PPy电极衰减过快、循环稳定性较差。在10mV/s时,PPy电极的比容量为384.0F/g,当扫速增加到50mV/s时,其比容量衰减为162.9F/g。3.通过化学氧化原位聚合的方法制备了不同比例的聚吡咯／石墨烯复合材料(PPy/GNS),采用XRD、FTIR和FESEM等表征手段对PPy/GNS复合材料的结构、形貌进行表征,发现PPy均匀的覆盖在GNS表面上,形成表面均一的复合材料。制备了不同质量比的复合材料PG9:1、PG7:3、PG6:4,在1mol/LHCl电解液中通过电化学工作站和电池测试系统测试材料的电化学性能,结果表明,吡咯单体与石墨烯的质量比为9：1(即PG9：1)时,复合材料的电容性能最佳。在0.5A/g电流密度下,PG9：1电极的首次放电比容量达402.0F/g,经过1000次充放循环后,PG9：1电极的比容量为380.0F/g,其比容量保留率达95.0%。在三电极体系中,测试了PG9：1电极在不同扫描速率下的CV曲线,扫速为10mV/s时,PG9：1电极的比容量为466.0F/g,当扫速增加到50mV/s,其比容量为332.7F/g。研究结果表明：PG9：1复合材料具有较大的比容量和较高的循环稳定性。
【作者】刘珍；
【导师】朱先军；
【作者基本信息】华中师范大学，化学工程，2014，硕士
【关键词】超级电容器；聚吡咯；石墨烯；复合材料；

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