超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

石墨烯-聚苯胺类超级电容器复合电极材料

聚苯胺理论比容量高、易合成,是一种理想的电极材料,但其循环寿命差,而石墨烯具有高的理论比表面积,将二者复合,充分利用两者之间的协同效应,能够使复合材料具有优异的电化学电容性能。本文回顾了近几年石墨烯-聚苯胺纳米复合材料在超级电容器中的最新研究结果及其制备方法,并对如何优化电极的结构与性能进行讨论,同时介绍了石墨烯-聚苯胺类电极材料在有机超级电容器中的应用进展,最后对石墨烯-聚苯胺复合材料的前景进行了展望。超级电容器用石墨烯-聚苯胺纳米复合材料的发展取决于其合理的微观结构设计,构建理想的三维多孔结构以避免聚苯胺的膨胀与收缩现象是研究的方向之一,此外,在改善石墨烯和聚苯胺间弱的界面相互作用的同时寻求石墨烯性能与功能化的平衡仍是难点,机械性能优异的聚苯胺纳米复合材料对于柔性全固态超级电容器的研究也会起到关键作用。     

石墨烯/聚苯胺复合材料在超级电容器中的研究进展

聚苯胺理论比容量高,具有优良的导电性能,是理想的超级电容器电极材料。但是,在长期的充放电过程中容易发生体积的收缩与膨胀,循环寿命差。同时,石墨烯由于具有高的理论比表面积,被广泛用作超级电容器电极材料。将聚苯胺与石墨烯复合,利用二者的协同作用,使复合材料具有优异的电化学性能。本文综述了石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法以及近年来在超级电容器领域的主要研究成果,并就其目前存在的主要问题进行了讨论,最后对石墨烯/聚苯胺复合材料的前景进行了展望。     

石墨烯-聚苯胺杂化超级电容器电极材料

聚苯胺是一类具有超高比电容的导电高分子材料, 利用其与石墨烯的协同效应, 改善各自的固有缺点, 可以制得高性能的超级电容器. 本文综述了石墨烯-聚苯胺杂化电极材料的制备方法和石墨烯表面性质对电极材料电化学性能的影响, 讨论了优化杂化电极的结构与性能.     

交联多孔结构Mn~(2+)掺杂聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及超级电容特性

采用简单的原位氧化聚合法成功制备了Mn2+掺杂聚苯胺/还原氧化石墨烯(Mn2+-PANI/r GO)复合物电极材料,利用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、扫描电镜和电化学测试等手段对其结构、形貌和电化学电容性能进行了分析研究。结果表明,纳米棒状的锰离子掺杂态聚苯胺均匀分散在褶皱的石墨烯中,形成交联状的多孔结构。当电流密度为2A/g时,电极的放电比容量高达952 F/g,循环1000次后初始比电容的保持率为86.2%。过渡金属和石墨烯的加入提高了电极材料的电化学性能,高的比电容和优良的循环稳定性使Mn2+-PANI/r GO复合物在超级电容器中有很好的应用前景。     

用于超级电容器电极材料的石墨烯基纳米复合物的种类和研究现状

超级电容器是目前研究较多的新型储能元件,其大的比电容、高的循环稳定性以及快速的充放电过程等优良特性,使其在电能储存及转化方面得到广泛应用。超级电容器的电极材料是它的技术核心。石墨烯作为一种新型的纳米材料,具有良好的导电性和较大的比表面积,可作为超级电容器的电极材料。利用其他导电物质对石墨烯进行改性和复合,可以在保持其本身独特优点的同时提高作为电极材料的导电率、循环稳定性等其他性能。本文从半导体/石墨烯复合材料、金属及金属氧化物/石墨烯复合材料、石墨烯/导电聚合物复合材料3个方面综述了复合改性后的石墨烯在超级电容器电极材料方面的研究进展。通过对各复合物电极材料的制备方法和性能的对比分析,指出石墨烯基复合物作为超级电容器的电极材料的未来研究内容是开发低成本、高比容量和高循环稳定性的复合物。     

石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及应用

石墨烯/聚苯胺复合材料由于其优异的电学、热学、电化学性能和机械性能等特点,吸引了研究者们的广泛关注。本文对近几年来石墨烯/聚苯胺复合材料的发展状况进行了简单介绍,首先总结了原位聚合法、界面聚合法、自组装法、溶液共混法等不同制备方法对石墨烯/聚苯胺复合材料结构和性能的影响。由于石墨烯/聚苯胺复合材料结合了石墨烯和聚苯胺两者的优点,展现出更加优异的性能,因此本文还对其在超级电容器、传感器、燃料电池、太阳能电池等方面的应用进行了详细介绍。     

氮掺杂石墨烯量子点/MOF衍生多孔碳纳米片构筑高性能超级电容器

首先采用溶液法在碳布上生长Co-MOF二维纳米片,通过高温退火和刻蚀后得到MOF衍生多孔碳纳米片。以Co-MOF衍生的多孔碳纳米片/碳布(CNS/CC)作为碳基骨架,采用电化学沉积法负载高活性氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs),制备得到分级多孔结构的N-GQD/CNS/CC复合材料。组装成自支撑且无粘结剂的N-GQD/CNS/CC电极,当电流密度为1 A·g~(-1)时,其比电容高达423 F·g~(-1)。通过储能机制和电容贡献机制的研究表明,在碳纤维上原位生长的具有高双电层电容的CNS和表面负载具有高赝电容的N-GQDs之间相互协同作用,使得N-GQD/CNS/CC电极具有高电容性能,是一种理想的超级电容器电极材料。电极材料的高导电、分级多孔结构有利于电子的传输和电解质离子的扩散,具有良好的动力学性能,能快速充放电和具有优异的倍率特性。将电极组装成对称型超级电容器,功率密度为250 W·kg~(-1)时对应的能量密度达到7.9 Wh·kg~(-1),且经过10 000次循环后电容保持率为91.2%,说明氮掺杂石墨烯量子点/MOF衍生多孔碳纳米片复合材料是一种电化学性能稳定的具有高电容性能的全碳电极材料。     

石墨烯/聚吡咯纳米纤维超级电容器电极材料的制备及其电化学性能

超级电容器因其具有较高的循环稳定性和较好的能量密度而成为储能器件中的研究热点,其电极材料及制备方法是决定超级电容器电化学性能的关键因素。 本文以聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为软模板,通过一步原位聚合法成功地制备了石墨烯/聚吡咯纳米纤维(GR/PPy NF)复合超级电容器电极材料。 通过X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)等对复合材料的结构和形态进行了系统的表征。 利用电化学方法对GR/PPy NF复合电极材料的电化学性能进行了系统的分析。 结果表明,在电流密度0.5 A/g下,纳米复合材料的比电容量高达969.5 F/g,在充放电600圈之后,仍可保留初始比电容的88%,展示了良好的电容性能及循环稳定性。 GR/PPy NF制备简单,性能优异,是一种很有前途的能量转换/存储材料。     

交联多孔结构的Mn2 掺杂聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及超级电容特性

采用简单的原位氧化聚合法成功制备了Mn₂ 掺杂聚苯胺/石墨烯(Mn₂ -PANI/rGO)复合物电极材料,利用傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(FESEM)和电化学测试等手段对其结构、形貌和电化学电容性能进行了分析研究。结果表明,纳米棒状的锰离子掺杂态聚苯胺均匀分散在褶皱的石墨烯中,形成交联状的多孔结构;Mn₂ -PANI/rGO复合物具有高的比电容和优良的循环稳定性,当电流密度为2A/g时,电极的放电比容量高达952 F/g, 循环1000 次后初始比电容的保持率为86.2%,这表明过渡金属和石墨烯的加入增强了其电化学性能,高的比电容和好的速率使其复合物有望在超级电容器中有广泛的应用前景。     

Synthesis and electrochemical performance of sandwich-like polyaniline/graphene composite nanosheets

Sandwich-like polyaniline/graphene composite nanosheets have been synthesized by chemical oxidation polymerization of aniline monomer on the surfaces of reduced graphene oxide nanosheets in the absence of any surfactants. The influences of the mass ratios of aniline and reduced graphene oxide on the sizes and morphologies of polyaniline/graphene nanocomposites have been investigated. As the mass ratio of aniline and reduced graphene oxide is smaller than 12:1, polymerization reaction of aniline occurs on the surfaces of reduced graphene oxide by heterogeneous nucleation to form sandwich-like polyaniline/graphene composite nanosheets. However, besides sandwich-like polyaniline/graphene composite nanosheets, polyaniline nanofibers are formed by homogeneous nucleation. In comparison with reduced graphene oxide and polyaniline nanofibers, the obtained sandwich-like polyaniline/graphene composite nanosheets exhibit good electrochemical performances due to the synergistic effect between graphene and polyaniline.     

聚苯胺/介孔碳纳米线复合电极材料的制备和性能

以介孔碳纳米线为基体, 通过电化学方法制备了新型聚苯胺/介孔碳纳米线(PANI/MCFs)复合材料, 采用SEM和TEM等手段对样品的结构和形貌进行了表征. 结果表明, 聚苯胺均匀附在介孔碳纳米线表面, 并填充到纳米线介孔孔道中. 将复合材料组装成三电极体系超级电容器, 用循环伏安、 恒流充放电和交流阻抗等方法对材料的电化学性能进行了测试. 结果显示, 在1 mol/L H₂SO₄溶液中, 复合材料的比电容达到391 F/g, 其循环稳定性也得到显著提高.     

氧化剂对磺化石墨烯负载聚苯胺复合材料结构与电化学性能的影响

以磺化石墨烯(sGNS)为基板材料,通过界面聚合方法制备出不同分级结构磺化石墨烯负载聚苯胺(sGNS/PANI)复合材料,并系统研究了氧化剂类型对复合材料的化学组成、形貌结构和超级电容特性的影响.结果显示,过硫酸铵为氧化剂合成的复合材料中PANI的产率和氧化程度最高,其形貌呈现出sGNS垂直生长PANI纳米短棒阵列结构,PANI的共轭程度和结晶性均较高,从而赋予复合材料高的比电容(497.3 Fg-1),以及良好的倍率特性和循环稳定性(2000次循环后比电容仅损失5.7%).当以三氯化铁为氧化剂时,复合材料中PANI的得率很低,并在sGNS表面形成较薄的包覆层,此时复合材料的比电容最低(228.5 Fg-1),但充放电循环性能较好(2000次循环后比电容的保持率为87.4%).当氧化剂为高锰酸钾时,复合材料中PANI以团聚态颗粒无规堆积在sGNS表面,PANI以无定型结构存在,其比电容虽然较高(419.6 F g-1),但其倍率特性和充放电循环性能较差(2000次循环后比电容损失19.9%).     

聚苯胺/聚砜复合材料的制备及其超级电容性能

通过化学聚合法,制备出盐酸掺杂聚苯胺（PANI）,将其与聚砜（PSF）溶液混合,定量滴加到玻碳电极上制得PANI/PSF复合膜电极。 采用扫描电子显微镜、红外光谱以及X射线衍射对其结构和形貌进行表征。 根据循环伏安曲线、恒电流充放电曲线和电化学阻抗,研究了其作为电极的超级电容性能。 结果表明,多孔结构的PANI/PSF复合材料具有良好的电容性能,其比电容可达到497 F/g,并且该超级电容器具有较小的内阻和较好的循环稳定性。     

季铵盐掺杂聚苯胺电极的电容性能

采用循环伏安法,在铂电极表面聚合制备了季铵盐[CnH2n+1N(CH3)3]Cl(n=12,14,16,18)掺杂的聚苯胺修饰电极。 利用扫描电子显微镜、红外光谱以及X射线衍射对复合电极的表面形貌和结构进行了表征。 用循环伏安法、交流阻抗和恒电流充放电测试对电极的电化学性质和电容行为进行了系统研究。 结果表明,其中[C18H37N(CH3)3]Cl季铵盐掺杂的聚苯胺复合电极比表面积大,电容性能好,在2×10-3 A的充电电流下,初始比电容高达329.6 F/g,未掺杂电极比电容为199.0 F/g。 而且,复合电极的循环稳定性良好,经30次循环后比电容保持为252.4 F/g。     

Electrochemical capacitors based on the composite of graphene and nickel foam

An improved Hummers method was developed for the simple and efficient production of high-quality graphene oxide(GO), and the composite of GO and nickel foam(NF)(GO/NF) was fabricated by ultrasonication-vacuum-assisted deposition of an aqueous solution of GO on NF. After chemical or thermal reduction, the composite of reduced GO and nickel foam(r GO/NF) was obtained. The electrochemical capacitance performance of r GO/NF was investigated using cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge measurements. The chemically reduced r GO/NF composite(C-r GO/NF) exhibited high specific capacitance of 379 F/g at 1.0 A/g and 266.5 F/g at 10 A/g. We also prepared thermally reduced graphene oxide at 473 K in order to illuminate the difference in effect between the chemical and low-temperature thermal reduction methods on electrochemical properties. The cycling performance of thermally reduced r GO/NF composite(T-r GO/NF) and C-r GO/NF had ~91% and ~95% capacitance retention after 2000 cycles in a 6 mol/L KOH electrolyte, respectively. Electrochemical experiments indicated that the obtained r GO/NF has very good capacitive performance and could be used as a potential application of electrochemical capacitors. Our work revealed high electrochemical capacitor performance of r GO/NF composite and provided a facile method of r GO/NF preparation.     

Design and synthesis of ternary composite of polyaniline-sulfonated graphene oxide-TiO<Subscript>2</Subscript> nanorods: a highly stable electrode material for supercapacitor

Supercapacitor is an important energy storage device. Nature of electrode material plays an important role in the performance of supercapacitor. Carbon, metal oxide, and conducting polymer-based materials are being used as electrode materials. Each type of material has its own advantages and disadvantages. To improve the energy density and cycle life performance of conducting polymer, in this work, metal oxide (TiO₂) and carbon (sulfonated graphene oxide) materials were incorporated on to polyaniline. Presence of polyaniline, titanium dioxide, and sulfonated graphene oxide in the composite material was supported by Fourier transform infrared, XRD, FE-SEM, and EDAX techniques. Composite material of nanorods with sphere morphology in excellent yield and reasonably good conductivity was obtained. Electrochemical performances of the composite material were carried by cyclic voltammetry, charge-discharge, and impedance measurements. Composite material showed much better performances than that of its individual components in terms of specific capacitance, energy density, power density, and cycle life.     

Methyl triphenylphosphonium permanganate as a novel oxidant for aniline to polyaniline-manganese(II,IV) oxide: material for high performance pseudocapacitor

In this work, organic-inorganic composite materials of polyaniline and manganese oxide were synthesized and investigated their electrochemical performance. This composite material was prepared by oxidizing aniline with methyl triphenylphosphonium permanganate as a novel organic oxidant via aqueous, emulsion, and interfacial polymerization pathways. This process led to the formation of polyaniline-sulfate salt (PANI-SA-Mn₅O₈). Formation of polyaniline-sulfate salt was confirmed from FT-IR, EDAX, and XRD results. Formation of Mn₅O₈ was supported by XRD spectrum. PANI-SA-Mn₅O₈ prepared via emulsion polymerization pathway was obtained in porous nanorod morphology with high conductivity (9.4 S cm^?1) compared to that of the other sample prepared via interfacial pathway (1.7 S cm^?1). Whereas, aqueous polymerization pathway resulted in sheet-like morphology with a conductivity of 0.8 S cm^?1. These composites were used as pseudocapacitive electrode materials. Electrochemical characterization (cyclic voltammetry, charge-discharge, and electrochemical impedance measurement) showed that composite prepared via emulsion polymerization pathway gave better electrochemical performance, and showed good cycling behavior.     

MnO_2/聚苯胺复合材料的电化学电容

以P123为模板剂,软模板法制备出纳米MnO2.酸性条件下引入苯胺并聚合,得到了MnO2/聚苯胺复合材料.X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR),扫描电子显微镜(SEM)表征观察样品的结构、形貌.循环伏安、交流阻抗、恒电流充放电等测试MnO2/聚苯胺电极的电化学性能.结果表明:引入苯胺改变了样品纳米MnO2的形貌.MnO2/聚苯胺电极比容量高达190.8F·g-1,500次循环电极比容量仅衰减4.7%,库仑效率均保持在97%以上.