利用炭气凝胶填料改善聚苯胺的电化学性能

1、利用炭气凝胶填料改善聚苯胺的电化学性能报告人： 徐飞指导老师：符若文 教授 吴丁财 副教授 1.前言前言2.结果与讨论结果与讨论3.结论结论4.发表论文发表论文5. 致谢致谢主要内容1.1 聚苯胺 自从聚苯胺的导电特性被马克迪尔米德（Alan.G. MacDiarmid）在1984年重新开发以后，它成为材料和高技术领域研究的热点。Fig. 1 Comparison of various electrical energy storage devices1.2 超级电容器超级电容器的优势： 比传统电容器有更高的能量密度 比充电电池有更高的功率密度和使用寿命1.2 超级电容器关键技术关键技术高性能

2、电极材料的开发高性能电极材料的开发作为混合动力电动汽车的动力电源作为混合动力电动汽车的动力电源移动通讯信息技术航空航天交通运输1.3 实验思路设计3聚聚苯苯胺胺特特点点合成简单，原料易得 化学稳定性好电容特性高独特的快速可逆的掺杂机制多次充放电过程中高分子链结构易破坏，多次充放电过程中高分子链结构易破坏，稳定性差稳定性差处于绝缘状态时电阻升高，大电流充放处于绝缘状态时电阻升高，大电流充放电性能差电性能差存在的问题存在的问题最有希望实际应用于超级最有希望实际应用于超级电容器用导电聚合物材料电容器用导电聚合物材料解决办法？解决办法？1.3 实验思路设计Ours改性效果改性效果1.0%CA :提高提

3、高2.54倍倍!References碳纳米管碳纳米管（CNTCNT）炭气凝胶炭气凝胶（CACA）无团聚现象无团聚现象价格低廉价格低廉, ,大规模应用大规模应用三维导电网络三维导电网络Fig.2. Schematic illustration of the procedure for preparing CA modified PANI.1.3 实验思路设计2.1 电化学结果与分析0501001502000.00.20.40.601002003004005000.00.20.40.6Voltage /V(A)(B)Time /sFig. 3. Galvanostatic charge-disch

4、arge curves at 10 mA/cm2 of (A) CA and (B) PANI.炭气凝胶（CA）聚苯胺(PANI)炭气凝胶对称性好，导电性高炭气凝胶对称性好，导电性高聚苯胺出现电压降，电阻大聚苯胺出现电压降，电阻大01002003004005006000.00.20.40.601002003004005006000.00.20.40.601002003004005006000.00.20.40.601002003004005006000.00.20.40.6Voltage /V(A)(B)(C)(D)Time /sFig. 4. Galvanostatic charge-dis

5、charge curves at 10 mA/cm2 of PANI/CA composites with various CA/ANI mass ratios: (A) 0.3 wt.%, (B) 1.0 wt.%, (C) 3.1 wt.%, and (D) 7.5 wt.%用炭气凝胶改性后，对称性改善用炭气凝胶改性后，对称性改善, ,导电性增加导电性增加0.3% CA7.5% CA3.1% CA1.0% CA2.1 电化学结果与分析012345678100150200250300350400Specific Capacitance (F/g)10 mA/cm220 mA/cm230 mA

6、/cm250 mA/cm2 CA/PANI mass ratio (wt.%)5 mA/cm2 Fig. 5. Effect of CA content on specific capacitance of PANI/CA composites.炭气凝胶改性的聚苯胺都比纯聚苯胺比电容高炭气凝胶改性的聚苯胺都比纯聚苯胺比电容高当含量为当含量为1.0 wt%1.0 wt%时有最佳改性效果时有最佳改性效果2.1 电化学结果与分析CA改性机理，改性机理，是否改变了是否改变了聚苯胺的结聚苯胺的结构？构？01020304050020406080100Capacitance retention ratio

7、(%)Current density (mA/cm2)62.8 %27.6 %Fig. 7. Capacitance retention rates as a function of the current densities for CA, PANI, and PANI-CA1.0.随电流密度增加，随电流密度增加，CACA改性效果越明显，电容保持率从改性效果越明显，电容保持率从 27.6%27.6%提高到提高到62.8%.62.8%.2.1 电化学结果与分析Fig. 14 Comparison of capacitances of PANI ,and PANI-CA1.0 at differ

8、ent current density0501001502002503003504005503020Capacitance (F/g)Current density (mA/cm2) PANI PANI-CA1.010Fig. 8. SEM photographs of PANI (A, B) and PANI-CA1.0 (C, D).聚苯胺CA改性聚苯胺炭气凝胶三维导电网络炭气凝胶三维导电网络被埋覆在聚苯胺基体中被埋覆在聚苯胺基体中2.2 结构电化学分析Fig. 9. FTIR spectra of PANI and PANI-CA1.0.CA改性聚苯胺聚苯胺醌式和苯式强度基本没有变化，醌

9、式和苯式强度基本没有变化，聚苯胺化学结构没有改变聚苯胺化学结构没有改变Table 1 The adsorption wavelength and corresponding groups 2. 结果与讨论4000350030002500200015001000500 Transmittance(%)Wavelength (cm-1)79111091292148015623424793111112921481156034220.00.10.20.30.40.50.6-200-150-100-50050100150200250Current (A/g)Voltage (V) PANI PANI-C

10、A1.0Fig.10. CV curves of PANI and PANI-CA1.0 at 2 mV/s.510152025303540(020)(011)(001)(200)(020)(011) Intensity (a.u.)2 Theta(degree)(001)Fig. 11 . XRD patterns of PANI and PANI-CA1.0. 在循环伏安图有一对氧化还原峰，两样品的峰位置基本相同，说明相同的化学结构在循环伏安图有一对氧化还原峰，两样品的峰位置基本相同，说明相同的化学结构 改性过的斜率改性过的斜率I/VI/V变大，说明导电性变好变大，说明导电性变好 CA的引

11、入没有改变聚苯胺的结晶特性的引入没有改变聚苯胺的结晶特性聚苯胺CA改性2.2 结构电化学分析Fig. 12. Nyquist plots in the range of 10 k to 10 mHz for PANI and PANI-CA1.0. The inset shows the expanded high-frequency region of the plots.交流阻抗可以看出交流阻抗可以看出炭气凝胶炭气凝胶改性后改性后电阻降低了电阻降低了循环稳定性从循环稳定性从69%提高到提高到76%95 m963 m05010015020050100150200250300350400Cap

12、acitance (F/g)Cycle-numberPANI-CA1.0PANICAFig.13 Chargedischarge cycle at a current density of 10 mA/cm2 within the potential window 0 to 0.6 V for PANI, PANI-CA1.0 and CA.76 %69 %2.2 结构电化学分析0123456036912-Z (ohm)Z (ohm)PANIPANI-CA1.00.00.40.81.21.60.00.20.40.60.828 Hz10000Hz635Hz3.结论1. 利用原位化学氧化聚合法成功

13、地合成了PANI/CA复合材料。结构分析表明，CA的引入不会改变PANI基体的化学结构和物理结晶特性。2. 电化学测试表明，复合材料的电化学性能明显好于纯PANI；而且通过调控CA用量还可进一步提高复合材料的电化学性能，研究表明最佳的CA用量为苯胺单体的1.0 wt.%。在50 mA/cm2的大电流密度下，复合材料最佳比电容为226 F/g，而PANI的只有89 F/g，提高了2.5倍。电容保持率(550 mA/cm2)也从27.6 %提高到62.8 %。经过200圈恒流充放电后，循环稳定性也有了一定的改善。3. CA的改性机理在于：充放电过程中，炭纳米网络骨架在PANI基体中起到三维导电通道

14、和力学支撑点的作用，由此改善了PANI基体的功率特性和循环稳定性，从而赋予复合材料优良的电化学特性。4.发表论文1. Fei Xu, Gengdong Zhen, Dingcai Wu*,Yeru Liang, Zhenghui Li, Ruowen Fu*, Improving electrochemical performance of polyaniline by introducing carbon aerogel as filler. Electrochim. Acta ,revised.(IF=2.848) 2. 徐飞徐飞 郑耿东 吴丁财* 符若文*，第十四届反应性高分子会议论文，广州，2008年.5. 致谢 符若文老师