氧化石墨烯复合材料的制备和性能研究

论文总字数：24484字

摘 要

超级电容器作为一种新型的储能元件，具有充放电速度快、使用寿命长、储能方便等独特的优点，在最近的几年里迎来了科学界的研究热潮。超级电容器作为一种新型的储能元件，其介于普通电容器和二次电池之间的电化学性能很好的弥补了两者之间的空白，使其有望成为一种未来的高效储能元件。而影响超级电容器性能的关键在于其电极材料的选择，所以近年来对超级电容器的研究主要在于其电极材料的性能研究。导电聚合物是由具有共扼π-键的高分子经过“掺杂”使其由绝缘体转变为导体或半导体的一类高分子材料，聚苯胺则作为一种重要的导电聚合物，由于其良好的电学性能，使其成为超级电容器电极材料的热门研究对象。而传统的聚苯胺材料由于化学结构的相对不稳定，使其的性能受到一定影响，碳电极材料石墨烯的出现，则很好的弥补了聚苯胺的缺点，所以本文主要研究了聚苯胺/氧化石墨烯复合电极材料，利用协同效应，两者实现互补，制备得到了高性能的超级电容器电极材料。

本文首先采用循环伏安法以ITO玻璃为衬底合成了导电聚合物聚苯胺，在此基础上加入不同浓度的氧化石墨烯与聚苯胺混合，采用同样的电化学法合成聚苯胺/氧化石墨烯复合物得到了含有不同质量分数石墨烯的复合电极材料。得到复合材料之后，对复合材料进行了TEM、FI-IR表征，表征结果显示，石墨烯很好的生长在聚苯胺材料上，实验成功制备得到了聚苯胺/氧化石墨烯复合材料。之后对复合材料进行了电化学性能测试，结果表明，纯聚苯胺电极材料的比电容为82F/g，当石墨烯含量为1%，2%，3%时复合物的比电容分别为125F/g，178F/g，140F/g。全文实验结果显示，研究发现聚苯胺/氧化石墨烯复合材料实现了两种组分的性能互补，既保持了聚苯胺高的电容性能，同时兼并了碳材料良好的稳定性。结果同时表明当加入适量石墨烯后可以很好的改善聚苯胺材料的电容性能，由于石墨烯和聚苯胺的成功复合，可以使复合材料的比电容有较大的提升，同时得出最佳的石墨烯质量分数为2%。

关键词：氧化石墨烯，聚苯胺，超级电容器，电极材料，比电容

A STUDY ON THE SYNTHESIS AND PROPERTY OF GRAPHENE OXIDE COMPOSITE

Abstract

Supercapacitor is a new type of energy storage element. Recently, it has has
attracted growing attentions due to its unique advantages, including fast rate of charge and discharge, long lifetime, convenient energy storage. As a new type of energy storage devices, super capacitor makes up the gap between conventional capacitor and a secondary battery because of its electrochemical performance between. Therefore, it is promising to become an efficient energy storage element in future. The electrode material is the key factor that influences the performance of supercapacitors. Recent study has been focusing on the performance of the electrode material of supercapacitor. The conductive polymer material is a conductive material transformed from insulator polymer with conjugated π-bond through doping. As an important conductive polymer, polyaniline has become an candidate for electrode material because of its good electric properties. However, the performance of conventional polyaniline material is affected by the relatively unstable chemical structure. The carbon electrode material, graphene, appear to overcome the shortcomings of the polyaniline. Therefore this article studies the polyaniline / graphene oxide composite electrode material, the synergies of the two complement contributing a electrode material with high performance for supercapacitor.

Firstly, a conductive polymer polyaniline is synthesized by cyclic voltammetry with ITO glass substrate. Then the product is mixed with graphene oxide of different concentrations and the polyaniline / oxidized graphene composite for composite electrode material containing different concentrations of graphene is obtained using the same electrochemical synthesis. The composite materials were characterized by TEM and FI-IR, which shows that graphene is grown on polyaniline and polyaniline / graphene oxide composites is synthesized. The electrochemical properties of composite materials were tested and the results show that specific capacitance of pure polyaniline electrode material is 82F / g, while 125F/g, 178F/g and 140F/g are for graphene content of 1%, 2%, 3%, respectively. Experimental results show that the polyaniline / graphene oxide composites achieve the complementary performance of the two components, that is, maintain a high capacitance properties of polyaniline and the good stability of carbon material. The results also show that an appropriate amount of graphene can improve the capacity of polyaniline material. The composition of graphene and polyaniline can greatly improve the specific capacitance, with the best mass fraction of graphene being 2%.

KEY WORDS：oxidized graphene，polyaniline，upercapacitor，electrode material，specific capacitance

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ……………………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论 …………………………………………………………………… 1

1.1超级电容器 ……………………………………………………………………………… 1

1.1.1超级电容器概述 ………………………………………………………………… 1

1.1.2超级电容器工作原理 ……………………………………………………………… 1

1.1.2超级电容器的电极材料 …………………………………………………………… 1

1.1.3超级电容器的应用 ………………………………………………… ………………2

1.2导电聚合物与聚苯胺 ……………………………………………………………………2

1.2.1导电聚合物概述 ……………………………………………………… ……………2

1.2.2聚苯胺的结构和导电机理 ……………………………………………………… …2

1.2.3聚苯胺的合成方法 ……………………………………………………………………3

1.2.4聚苯胺的应用 ……………………………………………………………………… 5

1.3石墨烯………………………………………………………………………………………6

1.3.1氧化石墨烯 ………………………………………………………………………… 6

1.3.2氧化石墨烯的制备 …………………………………………………………………7

1.3.3石墨烯的应用 ………………………………………………………………………7

1.4聚苯胺/氧化石墨烯复合材料 ……………………………………………………………7

1.4.1聚苯胺/氧化石墨烯概述 …………………………………………………………… 7

1.4.2聚苯胺/氧化石墨烯复合材料的制备方法概述 …………………………………… 7

1.4.3聚苯胺/氧化石墨烯复合材料的应用 ……………………………………………… 8

1.5本课题的研究内容与研究意义 ………………………………………………………… 8

1. 聚苯胺、聚苯胺/氧化石墨烯复合材料的制备 ……………………… 9

2.1引言 ……………………………………………………………………………………… 9

2.2实验原料与实验仪器 ………………………………………………………………… 9

2.3聚苯胺的制备 …………………………………………………………………………… 9

2.3.1原位聚合法 ………………………………………………………………………… 9

2.3.2电化学沉积法 ……………………………………………………………………… 10

2.4聚苯胺/氧化石墨烯的合成 ……………………………………………………………… 10

2.4.1原位聚合法 ………………………………………………………………………… 10

2.4.2电化学沉积法 ……………………………………………………………………… 11

2.5本章小结 ………………………………………………………………………………… 12

1. 聚苯胺/氧化石墨烯复合材料的表征 ………………………………… 13

3.1材料TEM表征结果与分析 …………………………………………………………… 13

3.1.1不同合成法合成的聚苯胺TEM表征 ………………………………………………13

3.1.2含有不同质量分数氧化石墨烯的复合材料TEM表征…………………………… 13

3.2材料的FI-IR表征结果与分析…………………………………………………………… 15

3.3本章小结…………………………………………………………………………………15

1. 聚苯胺/氧化石墨烯复合材料的电化学性能研究…………………… 17

4.1概述………………………………………………………………………………………17

4.2材料的电化学性能测试…………………………………………………………………17

4.2.1性能测试实验试剂与仪器………………………………………………………… 17

4.2.2材料电化学性能测试结果………………………………………………………… 17

4.3本章小结 ……………………………………………………………………………… 19

1. 全文结论与展望 ………………………………………………………20

致 谢 …………………………………………………………………………21

参考文献………………………………………………………………………… 22

1. 绪 论

1.1超级电容器

1.1.1超级电容器概述

超级电容器，又称作电化学电容器，或者叫双电层电容器、法拉第电容器、超大电容器等^[1]。超级电容器作为一种介于传统电容器和化学电池之间的新型储能元件，其储能能力强、充放电速度快，能够在数秒钟内完成充放电，且比功率大，对环境无污染、循环寿命长^[2-4]。

超级电容器与传统电容和化学电池相比，具有诸多独特性能，三者电学特性差别见表1-1。

按照储能机理的不同，超级电容器分为双电层电容和法拉第准电容。与传统的化学电池相比，超级电容器具有较低的比能量，但是其可以在短时间内获得很高的比功率。因此，超级电容广泛被用于应急备用电源。最近出现诸多关于超级电容器的研究报道，超级电容器也有望在能量存储领域扮演重要角色。

表1-1 超级电容器与普通电容器及电池性能比较^[5]

1.1.2超级电容器的工作原理

双电层电容器最初由德国物理学家Helmhotz提出，是一种新型储能装置。它具有充电时间短、使用寿命长、绿色环保等诸多特点。根据Helmhotz模型，超级电容器包含两个分由离子渗透膜隔开的电极，以及使用离子连接两电极的电解液。当电极被施加的电压极化时，电解液中的离子会形成与电极极性相反的双电层。正极化的电极将会在电极/电解液界面出现一层负离子，并伴随出现一层吸附于负电层的正电荷层以起到电荷平衡的作用。对于负极化的电极，出现的情况则恰好相反。双电层与传统电容器中，电介质在电场作用下产生的极化电荷的情况相似，会产生电容效应。紧密的双电层可以近似看作平板电容器，由于双电层可以紧密的排列，因而具有比普通电容器更大的容量。

法拉第准电容最早由Conway提出，是一种通过在电极表面或者体相中的空间对电活性物质进行欠电位沉积，可以发生可逆的化学吸附和氧化还原反应产生和电极充电电位有关的电容。法拉第准电容在电极表面级内部均可产生电容。因而相比于双电层电容，法拉第准电容的电容量和能量密度更高，在相同电极面积的情况下，其电容量是双电层电容的10～100倍。

1.1.3超级电容器电极材料

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