功能化石墨烯复合材料的制备及其电化学性能的研究

作     者：王兆坤 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宗成中

授予年度：2021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）] 080502[工学-材料学] 

主      题：石墨烯 功能化 聚苯胺 超级电容器 

摘      要：单独的二维平面以及完整的sp结构赋予了石墨烯许多优异的性能,可以应用在光伏器件、智能传感器、超级电容器以及储氢材料等多种新能源领域。但是这种本身固有的sp网络结构之间会发生范德华相互作用,使得两个石墨烯片层间堆积,这相当于四个石墨烯平面堆积成两个有效比表面积,导致比表面积有效率降低,从而影响其导电性能以及与其他材料的复合。掺杂的聚苯胺由于氧化还原反应而显示出优异的导电性,电化学特性和光学性质,并且也已被广泛使用。但是在充放电过程中会发生体积坍塌影响其循环稳定性,使其在应用方面受到了一定的限制。为了综合解决上述问题,本文采用多种还原剂,用于还原并且功能化石墨烯;然后通过共价接枝或者共混的方式制备石墨烯/聚苯胺复合材料;另外还以对苯二胺调节聚苯胺的长径比,探究复合材料在不同形态聚苯胺下电化学性能所发生的变化。利用一些常规表征手段,例如XRD、紫外可见分光光度计、SEM、TEM等研究不同复合材料之间化学结构与形貌的区别;另外通过电化学测试判断了复合材料应用于超级电容器中的潜力。研究了一种天然提取物白藜芦醇可通过氧化还原法制备石墨烯,并且再还原过程中通过非共价键进行了修饰;随后通过与苯胺单体共混制备用于超级电容器的三元复合材料。主要探究了白藜芦醇反应时间对石墨烯以及复合材料的影响。结果表明,还原时间越长(24h下),还原程度越高,得到的石墨烯越褶皱,这赋予了其更好的性能,与聚苯胺复合的电极材料具有更大的比电容。当电流密度为1A/g时,电极材料的质量比电容高达916F/g。同时其倍率性能以及循环性能都较好。利用茶多酚制备功能化还原氧化石墨烯,并经过曼尼希反应为苯胺单体的原位接枝聚合提供反应活性位点,制备了三明治夹层结构的石墨烯/聚苯胺复合材料。通过分析证明,以上方法能够扩大石墨烯层间距,为苯胺单体的插层聚合提供优势;石墨烯片层可阻缓聚苯胺的结构坍塌;共价接枝极大的降低了石墨烯与聚苯胺的界面接触电阻。电化学测试表明,面积比电容为732m F/cm(0.5m A/cm),另外在循环充放电1000圈以后,其电容保留率仍在93%以上。具有最小的界面电阻为6.9Ω。在上述基础上,对苯二胺与苯胺共聚可用于调节聚苯胺的形态,获得石墨烯/聚苯胺纳米线状电极材料。结果表明,随着对苯二胺用量增加,聚苯胺的长径比会降低;用量过高时,会对聚苯胺的聚合起到抑制效果。另外通过电化学测试,发现当对苯二胺与苯胺单体比为1:2时,所制备的电极材料具有最优异的电化学性能。其质量比电容可达538.1F/g(0.5A/g)。通过以上工作所制备的石墨烯/聚苯胺复合材料不仅解决了石墨烯片层的重新堆叠问题,还解决了聚苯胺由于质子掺杂的体积变化问题,改善了电极材料的循环稳定性以及电容量,这为制备更高效、比电容更多高的石墨烯/聚苯胺复合材料提供了有效思路。