具有三明治结构的石墨烯-聚吡咯-纳米多孔金柔性薄膜设计及其储能应用

Low-conductivity and small specific surface area restrict applications of polypyrrole (PPy) in minitype energy storage devices. To increase the capacitance and cycle life, the graphene-PPy-nanoporous gold (NPG) flexible film with unique core-shell structure will be prepared. The conductivity and electrochemical properties will be increased significantly since the existence of NPG and graphene with large specific surface area. The controlled growth of graphene will be realized by study of growth kinetics of graphene. In order to find the relationship between structure and properties, the organization structure between graphene, PPy and NPG, as well as the change of atomic structure in charge-discharge process will be studied. Then the energy storage mechanism and capacitance mechanism of graphene-PPy-NPG flexible film will be found out. The project will provide fundamental supports for the designs and applications of conducting polymer and motivate the fast development of conducting polymer in the systems of electrochemical energy storage.

电导率低和比表面积小的缺陷限制了导电聚吡咯在小型储能设备中的应用。为了提高导电聚吡咯的电容性能及循环寿命，本项目提出构建具有三层核壳结构的石墨烯-聚吡咯-纳米多孔金柔性薄膜材料。通过具有大比表面积的石墨烯和多孔金的引入，提高聚吡咯的电导率，使其电化学性能提高。对石墨烯的生长动力学过程进行研究，实现石墨烯的可控生长；通过分析石墨烯-聚吡咯、聚吡咯-纳米多孔金之间的界面结合方式，以及材料界面原子结构在充放电过程中的变化，得到结构与性能之间的关系规律，进一步探索聚吡咯/石墨烯/纳米多孔金薄膜复合材料的储能机理与电容特性。通过本项目的研究可以为聚合物电极材料的设计和应用提供科学依据，最终推动导电聚合物在能源领域的快速发展。

为了提高导电聚吡咯的电容性能及循环寿命，本项目提出构建具有三层核壳结构的石墨烯-聚吡咯-纳米多孔金属柔性薄膜材料。通过具有大比表面积的石墨烯和多孔金属的引入，提高聚吡咯的电导率，使其电化学性能提高。对石墨烯的生长动力学过程进行研究，实现石墨烯的可控生长；通过分析石墨烯-聚吡咯、聚吡咯-纳米多孔金属之间的界面结合方式，以及材料界面原子结构在充放电过程中的变化，得到结构与性能之间的关系规律，进一步探索聚吡咯/石墨烯/纳米多孔金属薄膜复合材料的储能机理与电容特性。主要研究内容如下：. （1）利用电化学聚合的方法将还原的rGO和PPy电化学沉积到NPG上，制备了氧化石墨烯-聚吡咯/纳米多孔金（rGO-PPy/NPG）复合电极材料。通过扫描电镜和透射电镜分析其微观形貌，可以看到复合活性物质沿着NPG骨架沉积，形成了三维互联的多孔网络结构。对rGO-PPy/NPG复合电极材料进行电化学性能研究，结果表明，当电流密度为0.25 mA/cm2时，rGO-PPy/NPG复合电极材料的面积比电容可以达到215 mF/cm2，能量密度为238.8 mWh/cm3，功率密度2.2 W/cm3；rGO-PPy/NPG复合电极材料在扫描速率为100 mV/s时，经过2000次循环测试后，仍然可以保持最大电容的91%。. （2）采用水热法制备碳量子点（CQDs），并以NPG为基底电化学沉积CQDs和PPy的混合溶液，制备了不同沉积时间的碳量子点-聚吡咯/纳米多孔金（CQDs-PPy/NPG）复合电极材料。对其性能进行测试，结果表明，沉积时间为10 min时，复合电极材料的性能最佳。对材料进行微观形貌表征，可以看到材料为双层纳米多孔结构。对材料进行电化学性能的测试，结果表明，当电流密度为1 A/g时，CQDs-PPy/NPG复合电极材料的质量比电容最高可达755 F/g，能量密度为108.8 Wh/kg，功率密度为10 kW/kg；在扫速为100 mV/s的条件下，CQDs-PPy/NPG复合电极材料经过经过5000次循环后，仍然可以保持最大电容的90.5%。. 通过本项目的研究可以为聚合物电极材料的设计和应用提供科学依据，最终推动导电聚合物在能源领域的快速发展。