石墨烯聚苯胺复合材料的制备及其电容性能研究

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1、石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及其电容性能研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：钟奇能指导教师：李新禄教授专业：材料科学与工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二O一五年四月InvestigationsonGraphene/PolyanilineCompositesandtheElectrochemicalPerformanceforSupercapacitorsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDe

2、greeofEngineeringByZhongQinengSupervisedbyProf.LiXinluSpecialty:MaterialsScienceandEngineeringSchoolofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015中文摘要摘要作为一种绿色新型储能器件，超级电容器具有功率密度高、充放电迅速、循环寿命长等优点，成为目前研究广泛的能量存储器件之一。超级电容器的性能主要取决于电极材料，石墨烯具有良好的热稳定性、导电性以

3、及高比表面积，成为超级电容器最具发展前景的电极材料之一。聚苯胺具有成本低、易合成和高导电性等优点，被认为是最有发展前景的电极材料之一。石墨烯由于其不可逆性的堆叠现象导致其电容性能并不理想，本论文主要从化学元素掺杂、复合材料制备以及结构设计这三方面着眼于克服这个缺点。主要研究内容如下：采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯（GO），经微波膨化得到热还原石墨烯（GNs）。通过水热法合成前驱体凝胶，经高温烧结，制得氮掺杂石墨烯（N-GNs）。结构分析表明，N-GNs保留了石墨烯的褶皱透明，GO水溶液与氨基氢经水热反应有效地构筑了具有三维网络式的多孔洞结构

4、。N2吸附测试表明，氮掺杂多孔石墨烯的比表面积和孔容分别为280.78m2/g和1.25cm2/g，远大于石墨烯83.70m2/g的比表面积和0.35cm2/g的孔容。电容测试结果表明，氮掺杂石墨烯在电流密度为0.1A/g时，比容量可达到169Fg-1。采用二维的氧化石墨烯作为柔性载体材料，利用其表面大量的含氧化学功能基团产生的良好分散性和亲水性，采用化学原位聚合的方法在氧化石墨烯纳米片上均匀包覆上聚苯胺。结构分析表明，氧化石墨烯的引入使得原本易于发生团聚的单纯聚苯胺纳米粒子均匀地包覆在氧化石墨烯纳米片的表面形成薄膜状包覆，聚苯胺一次颗粒的形貌和分散

5、度得到了有效地改善。在电流密度为0.1A/g时，氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的比容量为162Fg-1。经2000次循环后，复合材料比容量仍保持在142Fg-1（容量保持率高达87.9%）。采用化学原位聚合法在石墨烯纳米片的基体上均匀生长出乳突状阵列式聚苯胺纳米颗粒，制备得到石墨烯/聚苯胺纳米复合材料。结构分析表明，聚苯胺颗粒均匀生长在石墨烯纳米片的两面上，呈现自由伫立的乳突状纳米颗粒阵列的形态。电容测试表明，石墨烯/聚苯胺复合材料不仅具有很高的比容量（0.1A/g时可达372Fg-1），而且具有优异的循环稳定性（恒流充放电3000次，容量保持率达86.

6、0%）。关键词：超级电容器，石墨烯，氮掺杂石墨烯，聚苯胺，复合材料I英文摘要ABSTRACTAsakindofnewgreenenergystoragedevices,thesupercapacitorduetoitsadvantagesofhighpowerdensity,fastchargeanddischargeandthelongcyclelife,hasbecomethemostwidelystudiedenergystoragedevices.Theperformanceofsupercapacitormainlydependsonthe

7、electrodematerials.Graphene,owningtoitsgoodthermalstability,conductivityandhighspecificsurfacearea,hasbecomeoneofthemostpromisingcandidatematerialsforsupercapacitor.Polyaniline,benefitsfromitsadvantagesoflowcost,easysynthesis,highconductivity,isconsideredtobeoneofthemostpromisi

8、ngelectrodematerials.Duetoitsirreversibleagglomeration