聚苯胺纳米刺／掺氮空心碳球复合材料的制备及电容性能.pdf

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1、Vo1．34高等学校化学学报No．122013年12月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES2845～2849doi：10．7503／cjcu20130366聚苯胺纳米刺／掺氮空心碳球复合材料的制备及电容性能高磊，廖奕，张小华，陈金华(湖南大学化学生物传感与计量国家重点实验室，化学化工学院，长沙410082)摘要以掺氮空心碳球(N-HCS)为骨架，通过化学氧化聚合法制备了聚苯胺纳米刺／掺氮空心碳球复合材料(PANI／N—HCS)，采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和红外光谱仪等对样品的形貌、结构等进行了

2、表征．采用循环伏安、计时电位和交流阻抗等方法在1mol／LHSO水溶液中考察了材料的电化学性能．结果表明，PANI／N—HCS具有良好的电化学性能，在0．5A／g电流密度下，PANI／N—HCS的比电容达346F／g；当电流密度为20A／g时，PANI／N—HCS比电容值为228F／g，电容保持率为66％；在5A／g电流密度下，经1000次充放电循环后，电容保持率为76％．关键词聚苯胺；空心碳球；复合材料；超级电容器中图分类号0646．5；O613文献标志码A超级电容器(EC)具有功率密度和能量密度高、充放电稳定性好及易维护等特点，在混

3、合动力电动车、不间断电源和移动电子设备等领域有广泛的应用l2』．已被广泛研究的Ec所用电极材料有炭材料、过渡金属氧化物．5和导电聚合物J．在这些材料中，导电聚合物重量轻、导电性好、比电容大，被认为是最有前景的电极材料之一j．其中，聚苯胺(PANI)价格低廉，合成工艺简单，环境稳定性好，具有较高的理论赝电容值，导电性能优异，离子嵌V脱出速度快，因而受到广泛的关注’m．然而，聚苯胺的循环稳定性较差，这极大地制约了它在EC领域的应用．为了提高其电容性能，延长其循环使用寿命，研究人员使用碳纳米管¨、碳纳米纤维、多孔碳M和氧化石墨烯片及石墨粉_l

4、等碳材料为支撑骨架制备了各种碳基聚苯胺复合材料，以减少聚苯胺在充放电过程中的结构形变．氮掺杂空心碳球(N—HCS)中空的碳壳结构使其具有比表面积高、密度低、表面渗透率高和电子特性好等优点，氮的掺杂又使碳球表面产生大量活性位点，同时改变碳的电子供体／受体特性，从而进一步改善其电化学性能18]．N．HCS在药物输送、活性物质固定包埋、锂离子电池电极材料和催化剂载体等领域受到广泛关注．本课题组以二氧化硅球为模板，利用吡咯作为碳源和氮源制备了N．HCS，并研究了其电化学电容性能，发现N．HCS中空的氮掺杂超薄碳壳的独特结构使其具有高的比电容值和

5、优异的功率特性、循环稳定性．本文以N．HCS为骨架，通过化学氧化聚合法制备了聚苯胺纳米刺／掺氮空心碳球复合材料(PANI／N—HCS)，并对其电容性能进行了研究．1实验部分1．1试剂与仪器苯胺和过硫酸铵(APS)均为分析纯，天津市大茂化学试剂厂；吡咯(化学纯)，国药集团化学试剂有限公司；二氧化硅(分析纯)，阿法埃莎化学有限公司；三羟甲基氨基甲烷(Tris，分析纯)和Nation乙醇溶液(质量分数5％)，Sigma．Aldrich公司；其余药品均为分析纯，所用水均为超纯水(电阻率>18收稿日期：2013-04-22．基金项目：长江学者和创

6、新团队发展计划(批准号：IRT1238)、湖南省自然科学基金(批准号：12JJ2010)、高等学校年轻教师成长计划(2012)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号：20110161110009)资助．联系人简介：张小华，女，博士，副教授，主要从事纳米材料电化学研究．E—mail：mickyxie@hnu．edu．ca陈金华，男，博士，教授，主要从事纳米材料电化学研究．E-mail：chenjinhua@hnu．edu．ca高磊等：聚苯胺纳米刺／掺氮空心碳球复合材料的制备及电容性能经成功修饰在N—HCS表面，N—HCS表面被大量的刺状

7、PANI所覆盖，PANI的长度为30～100nm，宽度一下《)／占IslIo吧苗2Inu一《为l0—30nm．2．2PANI／N-HCS电极的电化学性能图3是PANI和PANI／N—HCS电极在1mol／LH2SO4中的CV曲线图．由图3可知，PANI和PANI／N—HCS电极的CV曲线都有两对明显的氧化还原峰，分别标记为c／A和c／A．在c／A处的氧化还原峰是由完全还原态聚苯胺(半导体)经氧化掺杂后转化为中间氧化态聚苯胺(导体)引起的l1；c／A处的氧化还原峰是由苯醌一对苯二酚间的氧化还原反应或者交联形成吩嗪环引起的．氧化还原峰间的电

8、位差较小，表明电极反应的可逆性较好．此外，在相同的扫描速度下，PANI／N—HCS比PANI表现出更大的电流响应，表明复合材料将具有更好的电容性能．0∞Fig．3CVcurvesofPANI(a)andPA