聚苯胺-二氧化錫納米棒陣列的制備及電化學性能研究.pdf

1、超級電容器因其快速地充放電能力、長的循環壽命以及高的功率密度而被認為是一種新型的電化學能量存儲元件。電極材料的設計與合成對于超級電容器的應用至關重要。在眾多超級電容器的電極材料中，聚苯胺(PANI)因具有高的理論比容量、低成本和綠色環保等優點，而被認為是潛在的超級電容器電極材料，具有良好的應用前景。超級電容器實際的電化學性能與電極活性材料的結構及其導電性有著緊密的聯系。然而，PANI較差的循環穩定性能限制了其廣泛地應用，這主要是因為在質

2、子的摻雜和去摻雜的過程中PANI發生了體積的膨脹、收縮甚至破裂。本文將具有良好的化學穩定性和電化學穩定性的二氧化錫(SnO2)納米棒陣列(NRA)與PANI復合，制備成緊密連接的二元復合材料，SnO2一維納米棒結構可有效地提升電荷的傳輸效率，此外，PANI和SnO2之間有機與無機界面的緊密結合也有效地提升了PANI的循環穩定性能，使PANI/SnO2NRA復合材料具有良好的電化學性能。本論文針對PANI/SnO2NRA，聚苯胺-還原氧化

3、石墨烯/二氧化錫納米棒陣列（PANI-rGO/SnO2NRA）和聚苯胺-還原氧化石墨烯/氮摻雜二氧化錫納米棒陣列(PANI-rGO/N-SnO2NRA)復合材料，研究其單電極的電化學性質以及在超級電容器中的實際應用。本論文的研究工作具體包括以下幾個方面:
　　(1)PANI/SnO2NRA的制備及電化學性能研究
　　PANI/SnO2NRA米用種子輔助的水熱和電化學聚合的方法制備。SnO2NRA先通過種子輔助的水熱方法生長在

4、碳纖維表面上，再利用電化學聚合的方法將PANI沉積到SnO2NRA上。掃描電鏡結果顯示，PANI/SnO2NRA的結構為SnO2NRA均勻地生長在碳纖維的表面上，沉積完PANI之后，PANI一部分以納米纖維包裹在SnO2NRA上，直徑約100nm，另一部分以層狀結構包裹在SnO2NRA的表面上和填充在SnO2NRA之間的間隙中。通過充放電測試，PANI/SnO2NRA電極在0.5A g-1的電流密度下的比容量為367.5F g-1，當電

5、流密度增加到5A g-1時，比容量為231.9F g-1，電容保持率為61.6％，展現了良好的倍率性能。循環測試結果表明，PANI/SnO2NRA電極在5A g-1的電流密度下進行2000次充放電測試，其容量保持率為88.3％，展現良好的循環性能。
　　基于聚乙烯醇-硫酸(PVA-H2SO4)凝膠電解質，組裝PANI/SnO2NRA全固態對稱型超級電容器。通過充放電測試，PANI/SnO2NRA全固態對稱型超級電容器在0.2A g

6、-1電流密度下的比容量為44.9F g-1，當電流密度增大到2A g-1時，比容量為25.7Fg-1，容量保持率為57.2％。當功率密度從180W Kg-1增加到1800W Kg-1，能量密度從20.2Wh Kg-1降低到11.6Wh Kg-1。通過循環性能測試，PANI/SnO2NRA全固態對稱型超級電容器在1A g-1的電流密度下進行2000次充放電測試，電容保持率高達98.0％。對PANI/SnO2NRA全固態對稱型超級電容器充電

7、完之后，其可以點亮紅光二極管。綜上表明PANI/SnO2NRA可以作為超級電容器的電極材料。
　　(2)PANI-rGO/SnO2NRA的制備及電化學性能研究
　　PANI-rGO/SnO2NRA采用電化學聚合的方法將PANI和rGO一起沉積到SnO2NRA上制備。掃描電鏡結果顯示，PANI以納米線（直徑為100～200nm）和層狀結構包裹在SnO2NRA。充放電測試顯示，PANI-rGO/SnO2NRA電極在0.5A g-

8、1的電流密度下比容量為624.3F g-1，高于PANI-rGO的532.5F g-1，當電流密度的升高到5Ag-1時，比容量為484.4F g-1，電容保持率為77.6％，展現了良好的倍率性能。PANI-rGO/SnO2NRA電極在5A g-1的電流密度下進行2000次循環充放電測試，電容保持率為96.3％，展現了良好的循環穩定性。
　　利用PVA-H2SO4凝膠電解質，組裝PANI-rGO/SnO2NRA全固態對稱型超級電容器

9、。隨著電流密度從0.2A g-1增大到2A g-1，PANI-rGO/SnO2NRA全固態對稱型超級電容器的比容量從46.4Fg-1降到39.6F g-1，容量保持率為85.3％，展現了良好的倍率性能。當功率密度從180W Kg-1增加到1800W Kg-1，能量密度從20.8Wh Kg-1降低到17.8WhKg-1。PANI-rGO/SnO2NRA全固態對稱型超級電容器在1Ag-1的電流密度下進行2000次循環充放電測試，最終的電容保

10、持率為80.8％。對PANI-rGO/SnO2NRA全固態對稱型超級電容器充電完之后，其可以點亮紅光二極管。綜上表明PANI-rGO/SnO2NRA適合作為超級電容的電極材料。
　　(3)PANI-rGO/N-SnO2NRA的制備及電化學性能研究
　　N-SnO2NRA先通過氨熱方法合成，再采用電化學聚合的方法將PANI和rGO沉積到N-SnO2NRA上制備出PANI-rGO/N-SnO2NRA。掃描電鏡結果顯示，N-SnO

11、2NRA在碳纖維的表面上呈現四棱柱形納米棒陣列的結構，其端面的棱長為50～60nm之間。沉積完PANI之后，PANI部分以直徑在100～200nm之間的納米纖維的形式包裹在N-SnO2NRA上，而部分PANI以層的形式包裹在N-SnO2NRA的納米棒上，直徑變為100～150nm之間，形成核殼結構。通過充放電測試，PANI-rGO/N-SnO2NRA電極在0.5A g-1的電流密度下的比容量為1108.4Fg-1，當電流密度升到5Ag-

12、1時，比容量為1028.7F g-1，電容保持率為92.8％，展現了良好的倍率性能。循環測試結果顯示，PANI-rGO/N-SnO2NRA電極在5Ag1的電流密度下進行2000次充放電測試，容量保持率為73.6％，展現了良好的循環穩定性。
　　利用PVA-H2SO4凝膠電解質，組裝PANI-rGO/N-SnO2NRA全固態對稱型超級電容器。隨著電流密度從0.2A g-1增大到2Ag-1，PANI-rGO/N-SnO2NRA全固態對

13、稱型超級電容器的比容量從59.0Fg-1降到50.9F g-1，容量保持率86.3％，展現了良好的倍率性能。隨著功率密度從180W·Kg-1增加到1800W·Kg-1，能量密度從26.6Wh Kg-1降低到22.9Wh Kg-1。在1Ag-1的電流密度下進行2000次循環充放電測試，PANI-rGO/N-SnO2NRA全固態對稱型超級電容器的電容保持率為56.1％，對PANI-rGO/N-SnO2NRA全固態對稱型超級電容器充電完之后，