柔性石墨烯聚苯胺纳米纤维复合薄膜超级电容器研究.doc

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1、柔性石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合薄膜超级电容器的研究摘要：化学改性的石墨烯（CCG）与聚苯胺纳米纤维（PANI-NFs）薄膜通过真空过滤这两种混合分散的组成成分来制备。复合薄膜是一个层状结构，PANI-NF处在CCG层之间。此外，它有机械稳定性和良好的柔性，因此，它能够弯曲较大的角度或者形成多种想要得到的结构。含44%的CCG的复合薄膜的电导率（5.5×102Sm-1）大约为PANI-NFs薄膜的10倍。这种导电柔性复合薄膜的超级电容器在放电率为0.3A/g时，显示出了较大的电化学电容（210F/g）。它们也显示出了极大改进的电化学稳定性和

2、速率性能。关键词：石墨聚苯胺纳米纤维超级电容器复合柔性石墨烯，sp2杂化的二维单层碳原子，在最近几年吸引了人们大量的注意力，主要是因为它的非常高的电学和热学传导性、高的机械强度、高比表面积和潜在的低制造成本。石墨烯在组装储电和储能装置、传感器、透明电极、超分子组装和纳米复合材料方面已经被研究用于应用。特别是石墨烯与高分子复合材料是科学上与工业上的兴趣，因为由高电导率和石墨烯的强化性能引起的它们的强大的性能。另一方面，导电高分子材料（CPs）也被广泛的研究和在多种有机装置中应用。为了改进装置的性能或者提高其功能，CPs通常为纳米结构。聚苯胺

3、（PANI）是典型的高分子材料，它拥有良好的环境稳定性、引人关注的电导率和不同寻常的掺杂/去掺杂化学过程。纳米结构的PANI可以通过多种化学方法合成。例如，聚苯胺纳米纤维（PANI-NFs）可以通过界面或快速混合聚合很容易制备，它们被用于组装化学传感器、制动器、存储设备、电池和超级电容器。然而，化学制备的纳米导电高分子材料（包括PANI-NFs）通常为粉末状和在去掺杂状态时为绝缘态。因此，各种多孔碳材料（如活性炭、中孔碳和碳纳米管）和高分子粘合剂（如全氟磺酸）通常用作制备高分子电极的添加剂。作为碳纳米材料的新种类，也被应用于制备高分子复合

4、材料。PAN和石墨烯、石墨氧化物和石墨烯纳米薄片或者石墨烯纸的复合材料通过原位化学或者电化学的方法聚合、共价或非共价功能化和自组装都能成功制备。然而以前的大多数工作中，石墨氧化物或者石墨烯聚合物而不是稳定分散的石墨烯片层被作为原料使用。可是，石墨氧化物是绝缘体，聚合的石墨没有了高的比表面积和石墨烯显著的单层电学特性。这本论文中，我们报道了制备稳定水分散的CCG/PANI-NFs复合材料的新方法。通过过虑混合分散液，制造出CCG和PANI-NFs（G-PNF）纸装复合薄膜。在这些薄膜中，PANI-NFs都夹在CCG层中间。另外，含质量分数4

5、4%CCG的复合薄膜与那些纯PANI-NFs薄膜相比，显示出优良的机械性能和电导率。这些薄膜材料的超级电容器拥有高电容和高的循环稳定性。结果与讨论在本研究使用的PANI-NFs是参照文献通过苯胺的界面聚合制备的。这样制备得到的PANI-NFs被证明是以苯胺绿盐的形式填充的。因此，有报道说这种形式的PANI-NFs能够稳定的复合材料，通过静电作用分散有负电荷氧化碳纳米管（OCNTs）。另一方面，CCG片层也能带来负电荷，这是由于它的多余的羧基基团的原因。因此可以预料，分散有CCG和PANI-NFs的复合材料也可通过相似过程来制备。然而，CC

6、G片层与OCNTs有很大的不同，主要体现在两方面：首先，CCG片层有很多羧基基团由于静电作用处在它们的边缘；第二，在pH值为2.6时，OCNTs和PANI-NFs都能够在水溶液中稳定的分散。但是，CCG片层只能在弱碱性中间物（pH=10）稳定的分散。混合CCG和当前制备的酸性PANI-NFs的分散物（pH分别为10和2.6）可以形成有着高的盐浓度的混合物。当CCG、（PANI-NFs+CCG）的重量比rG高于3%时，这种混合物并不稳定，并且在几天之内就能发生沉淀。此外，对于一种组分选择一个合适的pH值，可以引起另一种组分发生聚集。尤其是，

7、CCG的聚集是高度不可逆的。为了解决这种问题，我们通过对PANI-NFs进行24小时透析，除去过量的离子来净化PANI-NFs，然后与CCG胶质立刻混合来避免聚集（看方法部分）。图1.（a）稳定分散在氨水中rG为30%的G-PNF复合材料（pH=9）（左）和在相同媒介中老化两周后沉淀出的纯PAN-NFs（右），（b）G-PNF复合材料和纯PANI-NFs（插图）的Tem图像通过超声处理来混合净化的PANI-NFs分散物与可控数量的CCG胶质（pH=10），可以得到pH值约为9的深蓝色混合物。出人意料的是，当它的rG高于20%时混合分散物相

8、当稳定，仅以小部分复合材料（重量<5%）preticipated重量比的范围是20-40%。复合分散材料如此稳定以至于很少沉淀物在一个多月后或者是在1500转/分速度下离心10分钟被发现（图1