电活性生物大分子/导电聚合物水凝胶电化学性能的研究

Lignin, possessing excellent electroactive biopolymer, cannot be directly used as supercapacitor electrode material for its non-conducting property. The proposed project is to prepare lignosulfonate sodium (Ligs), a derivative of lignin, and conducting polymers composite hydrogels. Upon the success of proposed project, as-prepared composite hydrogels used as supercapacitor electrodes will exhibit prominent mechanical and electrochemical performance. The proposed project will focus on the following sections: 1) the preparation of Ligs/PANI hydrogel through chemical oxidative polymerization of aniline in the presence of Ligs; 2) the preparation of Ligs/PANI hydrogel through hydrothermal treatment between Ligs and PANI; 3) the preparation of Ligs/PPY hydrogel through chemical oxidative polymerization of pyrrole in the presence of Ligs; 4) the investigating electrochemical performance of as-prepared composite hydrogels in redox-active electrolyte containing hydroquinone or catechol. The forming mechanism, mechanical properties and electrochemical performances of as-prepared composite hydrogels, and the reaction mechanism of the redox-active electrolyte in the interface between electrode and electrolyte will be a deep understanding. It is expected that high performance and cost-effective composite electrodes will be obtained after the proposed project accomplished.

生物高分子木质素具有优异的电活性，但由于其导电性能差，难以直接用作超级电容器电极材料。本项目主要目的是:合成木质素衍生物木质素磺酸钠 (Ligs)和导电高分子复合形成水凝胶。通过控制实验参数，以期获得的复合水凝胶被作为超级电容器电极时具有优异的电化学和力学性能。主要研究内容包括：1）在Ligs溶液中聚合苯胺制备Ligs/PANI（聚苯胺）水凝胶；2）Ligs和PANI混合水溶液，经水热过程，直接合成Ligs/PANI水凝胶；3）在Ligs溶液中直接聚合吡咯制备Ligs/PPY（聚吡咯）水凝胶；4）采用含对苯二酚（或邻苯二酚）的氧化还原活性电解质来研究复合水凝胶的电化学性能。研究以上复合水凝胶的形成机理、力学和电化学性能，以及氧化还原活性电解质在电极界面的反应机理。通过该项目的实施，以期开拓一种价廉的高性能的复合电极材料。

导电聚合物具有长链共轭结构、高度可逆的氧化还原性，随着氧化还原反应的进行掺杂离子发生掺杂和脱掺杂产生较大的赝电容，从而被广泛研究作为超.级电容器电极材料。导电聚合物水凝胶，由于具有多孔的特性和导电的网络结构，被认为是提高导电聚合物电极材料的优良结构之一。其多孔性和导电网络结构缩短了离子的扩散距离且同时提高了电荷的扩散速度，能减少聚合物由于膨胀和收缩导致的降解，从而有利于提高该电极的倍率性能和循环稳定性。木质素是一种生物大分子，在自然界中，木质素的储量仅次于纤维素，是制浆、造纸工业的副产品。迄今为止，大量的木质素或“黑液”直接排入江河或浓缩后烧毁，很少得到有效利用。由于木质素的分子结构中存在酚类功能基团，如香豆醇、松柏醇和芥子醇等电活性基团，能进行可逆氧化/还原化学反应。生物质高分子木质素（或者单宁酸）具有优异的电活性，但由于其导电性能差，难以直接用作超级电容器电极材料，导电聚合物如聚苯胺和聚吡咯具有较好的电化学性能而稳定性较差。本项目通过木质素衍生物木质素磺酸钠 (Ligs) 或者单宁酸与二维导电材料复合形成性能较高的柔性超级电容器电极，通过原位聚合的方法限域合成了木质素磺酸钠/聚苯胺水凝胶；通过控制实验参数，合成了一系列的具有较高力学强度和电化学性能的电活性生物质/导电聚合物水凝胶，探讨了水凝胶的控制参数和构效；通过炭化和/或活化电活性生物质和导电聚合物，获得了一系列高电化学性能的碳基电极材料。通过本项目的实施，已发表和接受高水平论文20篇，其中Ⅰ区论文14篇，授权发明专利1项，另外：培养了13名硕士研究生。