嵌段共聚物诱导制备可控纳米结构导电聚合物及其电容特性研究

Super capacitors with high energy and power density, long cycle life are the one of the main development directions of chemical power. Super capacitors using conductive polymers as electrode has a advantages of low cost, high charge density, short charge and discharge time and so on. Especially the nanostructured conducting polymers become important candidates of active electrode materials of energy storage devices as for their strong points to providing larger ion or electron transport interface, short charge transport distances. As for the controllable regulation of conducting polymer nano structure, using block copolymers as templates has known as one of the most promising methods. In this project, the research works around realizing the morphology and size control of conducting polymers in block copolymer templates and corresponding property tests will be done. Block copolymer templates PEOx-b-PtBAy and its hydrolysis product PEOx-b-PAAy will be used in preparing polyaniline, polybenzidine and poly(o-phenylenediamine) with uniform size dispersity. The conducting polymer nano structures will be regulated by controlling the self-assembly of block copolymers. The influence of choosing templates, self-assembly and reaction conditions on establishing and controlling the nano structures and capacitive properties of materials will be sufficiently investigated.

能量及功率密度高,循环寿命长的超级电容器是未来化学电源主要的发展方向之一。以导电聚合物作为电极材料制备的超级电容器具有成本低、电荷密度高、充放电时间短等优点，是值得开发的一类准电容材料。尤其是纳米结构导电聚合物由于能够提供较大的离子或电子传输界面，较短的电荷传输距离等优点成为了储能器件活性电极的主要候选材料。针对于导电聚合物纳米结构的可控调节，以嵌段共聚物为模板的方法被看作是最具发展前景的方法之一。本项目从嵌段共聚物模板中实现导电聚合物形貌尺寸的有效调控入手，欲使用一组两嵌段共聚物PEOx-b-PtBAy及其水解产物PEOx-b-PAAy为模板制备具有均一尺寸分布的纳米结构聚苯胺、聚联苯胺及聚邻苯二胺等三种导电聚合物材料。通过控制嵌段共聚物自组装行为来实现材料纳米结构的可控调节。结合材料形貌、尺寸及性能，研究模板的选用、组装条件及反应条件对纳米结构的构筑与调控以及对材料超电容性能的影响。

本项目采用ATRP和RAFT聚合法设计合成了可作为构筑导电聚合物纳米结构模板剂的几组嵌段共聚物。以它们的溶液自组装聚集体为模板剂制备微/纳米结构聚苯胺（PAni）、聚联苯胺（PBz）和聚邻苯二胺（PoPD），确定形貌尺寸调控机理，得到了尺寸较小且形貌尺寸分布均一的导电聚合物颗粒。对所得微/纳米结构导电聚合物材料进行电容特性研究，其中在个别条件下制得的导电聚合物基微/纳米颗粒放电比电容超出了已有报道的大部分本征态导电聚合物或其复合物，也表现出了良好的循环稳定性。初步确定了PAni、PBz、PoPD及其它们在嵌段共聚物诱导条件下的碳点（CDs）复合颗粒作为超级电容器电极材料的各项性能与材料形貌及尺寸之间的相互关系。初步建立了模板剂序列结构、pH、水解时间、温度等因素对导电聚合物形貌尺寸，进而对它们的电容特性的影响机制。通过含PEO链段的两嵌段共聚物的诱导，在芳香族二元胺类导电聚合物颗粒形貌尺寸的调控以及构效关系研究方面，完成了一部分开创性工作。弥补了导电聚合物形貌、尺寸及电化学性能与嵌段共聚物模板剂中P2VP或P4VP链段pH响应性之间的关系研究的空缺。针对以PS-PAA系列模板剂的形貌诱导过程，提出了受力情况差异所引起的诱导机理。通过采用温敏性嵌段共聚物诱导的方法，为解决导电聚合物纳米颗粒长度的均一性仍未得到有效控制提供了新思路。在含导电聚合物链段的嵌段共聚物（PAA42-b-PANI30-g-PANIm）的直接合成及其电容特性研究方面也做了初步尝试并取得了有益成果。项目的顺利实施为导电聚合物基电活性材料的合成、纳米化以及其在二次电池、超级电容器以及柔性储能系统中的应用奠定良好基础。