导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列的可控合成及其在超级电容器中的应用

本项目拟通过电化学方法直接在导电基体上合成出导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯等)/过渡金属氧化物(二氧化锰、四氧化三钴、二氧化钛等)新型复合纳米管阵列，探讨它们在超级电容器中的应用，为新能源材料的开发利用提供理论依据。在前期研究基础上，首先通过模板指导的电化学方法合成出形貌可控的导电聚合物纳米管阵列，然后将纳米过渡金属氧化物包覆导电聚合物纳米管，制备出导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列。探索过渡金属离子在导电聚合物纳米管上形成氧化物的电极过程、机理以及纳米结构生长机制。探讨电极电位、电流密度、浓度、温度等对过渡金属氧化物的形态、组成和结构的影响。重点研究导电聚合物纳米管的链结构、晶态、管径大小、管长度、管壁厚度以及过渡金属氧化物的形态、微结构、结合性能等对复合纳米管阵列的电容性能及循环稳定性的影响规律，最终实现导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列的电容性能和循环稳定性的人工调控及优化。

随着社会经济的发展，人们对绿色能源和生态环境越来越关注。超级电容器是一种性能介于电池与传统电容器之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、对环境无污染等优点，是本世纪最有希望的绿色能源之一。纳米管阵列是一种新型的电极材料，其取向一致，有利于电子及溶液中的离子朝同一方向传递，从而发挥其优异的电子、离子传输性能，适用于高性能超级电容器电极材料的研究。导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列目前文献报道较少，是一个前沿研究领域。本项目通过电化学方法合成了导电聚合物 (聚苯胺、聚吡咯等)/过渡金属氧化物 (MnO2、Co3O4、NiO 等)复合纳米管阵列，兼具协同效应、量子尺寸效应和特殊形态效应，深入研究了该复合纳米管阵列电极材料的电容性能、循环稳定性及电容衰减机制。通过该项目研究，获得了系列重要研究结果及关键数据：.(1)通过电化学合成方法，在导电基体上成功实现了系列导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列的制备，并实现了形态、组成及结构的人工控制； .(2)揭示了纳米过渡金属氧化物在导电聚合物纳米管表面电化学沉积机理，认清了粒子尺寸和形貌的生长规律，探索了它们的非晶、纳米晶生长机制，为发展一种简单、经济、环保、高效的导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列制备技术奠定了扎实的理论基础；.(3)探讨了导电聚合物纳米管的晶态、管径大小、管长度、管壁厚度以及过渡金属氧化物的形态、微结构、结合性能等对导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列的电容性能及循环稳定性的影响规律，实现了复合纳米管阵列的电容性能及循环稳定性的人工调控及优化；.(4)系统深入探讨了PtNiP、Pd/PANI/Pd、PtPd/PPy/PtPd、PdCo等复合纳米管阵列电催化剂的可控合成，研究了它们的组成、结构、晶态等对电催化性能如催化活性、循环稳定性、抗CO毒化能力等方面的影响，为设计低Pt或低Pd高性能有机小分子氧化电催化剂开辟了一条新途径。.通过上述研究，我们可容易地对导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列的电容性能及循环稳定性进行优化，实现具有优越电容性能及高循环稳定性的导电聚合物/过渡金属氧化物复合纳米管阵列的合成，为开发高性能超级电容器提供了重要的理论及技术指导。该项目也将为制备高性能复合电催化剂、导电聚合物纳米光电子器件打下一个坚实基础，并开拓一个广阔的研究思路。