聚乙酰苯胺纳米线阵列/离子液体功能化石墨烯复合材料构筑及超级电容性能

Graphene has important application value in the field of supercapacitor electrode materials due to its excellent electric property. However, graphene is easy to agglomerate, and limit the electrochemical capacitance. This project intends to use the amine-functionalized ionic liquid for functionalization of graphene, in order to increase its dispersion. The composite structure of poly(N-acetylaniline) nanowire array and ionic liquid functionalized graphene on pyrolytic graphite electrode is achieved by self-assembly and constant current deposition technique. The electrochemical impedance spectroscopy, galvanostatic charge/discharge measurements and cyclic voltammetry are used to evaluate the physical and chemical properties of composite material interface and the formation mechanism of supercapacitance. The electrochemical energy storage mechanism will be revealed based on the analysis of microstructure and the formation mechanism of composite materials, combined with the first principle and molecular dynamics simulation study on electronic structure, interaction and nano interface characteristics of poly(N-acetylaniline) and functionalized graphene. This study will enrich the theory and methods of electrochemical development nanostructure. It can also provide the theoretical basis for the control of interface structure, electrochemical properties of electrode materials and energy efficient transmission. It is useful to in-depth understand the intrinsic relationship between the interface structure and property of electrode materials and the transformation of chemical - electric energy. The researches also have important theoretical guiding significance and practical application value for the development of high performance chemical power sources.

石墨烯因其优异的电学性能在超级电容器电极材料等领域具有重要的应用价值，然而石墨烯易发生片层团聚，限制其电化学容量的提升。本项目拟利用氨基化离子液体对石墨烯表面功能化修饰，增加其分散性；通过自组装和恒电流沉积技术在热解石墨电极上构筑导电聚乙酰苯胺纳米线阵列与离子液体功能化石墨烯复合结构。利用电化学交流阻抗、恒流充放电和循环伏安等电化学测试技术研究复合材料界面物理化学性质和超级电容形成机制，通过对复合材料微观结构和形成机理分析，结合第一性原理和分子动力学模拟探索聚乙酰苯胺和功能化石墨烯的电子结构、相互作用以及纳米界面结合特性，揭示复合材料电化学储能机制。本研究将丰富与发展电化学纳米构筑的理论与方法，为调控电极材料界面结构和电化学性能以及能量高效传递提供理论基础，对于深入理解电极材料界面结构和性质与化学能-电能转变的内在关系，开发高性能化学电源具有重要的理论指导意义和实际应用价值。

超级电容器是目前重要的“绿色”储能器件，在便携式电子设备、新型电动交通工具和国防等领域具有广阔的应用价值。电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的关键因素。开发具有高功率密度、高能量密度和低成本的电极材料是超级电容器研究工作的重要内容。超级电容器储能机制主要有2种，一种是基于电荷在电极/电解质界面存储的双电层电容，另一种是基于法拉第氧化还原反应的赝电容。石墨烯具有独特的结构和优异的电学性能，在高性能纳电子器件、传感器、储氢材料、场发射材料以及能量存储等领域具有广泛应用。石墨烯的储电空间位于其片层表面，在与电解质溶液充分接触时，其整个表面都可以形成双电层，具有优异的双电层电容。导电聚合物是一类性能优良的赝电容电极材料，但是导电聚合物在多次充放电过程中易发生体积膨胀与收缩，致使其结构产生明显改变，降低比电容和稳定性。本项目探讨了不同方法制备功能化改性的石墨烯与导电聚合物纳米复合材料，对合成材料的形貌、结构和超级电容器性能之间的规律进行了研究分析，揭示了纳米复合材料结构和电化学性能的关联性规律。以化学原位聚合和电沉积的方法获得形貌均匀、结构稳定的导电聚吡咯、聚苯胺和聚乙酰苯胺纳米线与功能化石墨烯的纳米复合材料，利用扫描电镜、透射电镜、X-射线衍射等表征手段获得复合材料的组成、形貌和结构；通过电化学交流阻抗研究电极/电解液表、界面的物理化学性质，对超级电容器电极材料内阻、溶液电阻和电荷转移电阻进行探讨；利用恒流充放电和循环伏安等手段考察电极材料的超级电容器性能，研究电解液离子在电极材料上的迁移和扩散特性，以此获得性能优良的复合电极材料。