导电聚吡咯及其复合材料的制备与电性能研究

作     者：杨兰兰 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李梅

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：聚吡咯 甲基橙 纳米管 超级电容器 电化学性能 

摘      要：自碳纳米管在1991年发现以来,管状和纤维状的导电聚合物由于其独特的性质与应用在科研领域备受关注。聚吡咯(PPy)的高能量储存能力、良好的导电性、低消耗、空气中的稳定能力及其在很多领域中的潜在应用,使其在导电聚合物中脱颖而出。管状PPy已广泛应用在传感器、电子器件以及超级电容器等领域,其管状结构不仅为电子流通提供了一定的通道,使电子流动阻力大大减少,比传统颗粒状PPy更适合于电子的转移,而且较大的比表面积使其更有利于其在他领域的应用。近年来,PPy的微/纳米管已用软-硬模板法成功制备。硬模板法通常被用在聚合物基质中支持和控制聚合物的形状和尺寸,但是硬模板的移除条件严苛,不仅移除过程复杂而且会对聚合物基质造成一定程度的破坏。从安全和环境友好的角度出发,软模板法更适合用来制备导电聚合物微/纳米管。本论文的主要内容介绍如下：用(甲基橙)MO和(十二烷基苯磺酸钠)SDBS作为双软模板,通过一步氧化聚合反应制备出一种空心荆棘状PPy微型管状结构(HTPMT),其中MO和SDBS既是表面活性剂,又是掺杂剂。在MO和SDBS同时存在的情况下形成的HTPMT与分别在MO或者SDBS中形成的PPy管(PMT)和PPy纳米粒子(PNP)有所不同。从HTPMT的SEM和TEM照片中可以看出有刺状结构长在PMT表面。MO和SDBS溶液的TEM照片可以证明PPy在末端封闭的MO管表面及囊泡状SDBS胶束的内部进行聚合。聚合过程中,带负电荷的SDBS胶束与带正电荷的吡咯(Py)自由基之间的静电吸引作用促使HTPMT的形成。与PMT及PNP相比,HTPMT在电性能和热稳定性方面均有所提高,这说明导电聚合物的形态结构会影响电极材料的电性能。以MO-(三氯化铁)FeC13为活性可降解模板通过化学氧化法成功制备出本征态PPy弹性膜,其中FeC13对单体的摩尔比是0.5：1。通过TEM和SEM照片得知,制备的PPy膜由PPy的纳米管组成,这些纳米管直径约50-60 nm,长度在5-6 pm。在KC1溶液中完成PPy膜CV,GCD,EIS等电性能测试。由PPy膜制成的电极在电流密度为0.2A/g时比电容高达576 F/g,且电流密度为3 A/g时循环1000次后仍能保持82%,优异的电性能使其在超级电容器领域应用范围更加广泛。以MO为模板,过APS和FeC13为引发剂,利用化学氧化法制备聚吡咯/聚苯胺(PPy/PANI)共聚物。实验通过改变引发剂种类和引发剂与单体的比例来制备不同形貌的PPy/PANI共聚物,并且两种单体的配比不同,产物的形貌和尺寸也不同。其中,APS为引发剂时产物多为中空球状,FeC13为引发剂时产物多为带褶皱的片层。通过电性能测试发现APS为引发剂时电性能优于FeCl3为引发剂时的电性能。以MO为软模板,通过一步化学氧化聚合法成功地制备出一种新奇的PPy纳米管/多壁碳纳米管(PPy/MWCNT)复合材料。由SEM和TEM照片可以看出PPy缠绕着MWCNT,而且PPy/MWCN T复合材料是在水-乙醇混合溶液中形成的。由于复合材料的协同效应和比电容受Py与MWCNTs的重量比影响大,因此所得到的复合材料与PPy和MWCNT相比,电性能优异。根据恒电流充放电分析可知,1 M KCl溶液中电流密度为0.2A/g时, PPy/MWCNT复合材料的比电容为352 F/g,比PPy (178 F/g)和MWCNT (46 F/g)要高的多,表明其在超级电容器方面有潜在应用。