基于水凝胶网络修饰的碳表面聚苯胺阵列的限域生长及其电容性能研究

The design of ordered heterostructures possessing pseudocapacitance and electric double layer capacitance characteristics is currently becoming a hot topic in the field of chemical power sources. In this project, with network-like hydrogel modified carbon nanotubes and graphene as the substrates, new three-dimensional polyaniline array/hydrogel/carbon capacitor materials are prepared by the space-confined growth of polyaniline arrays having adjustable distance on the substrate’s surface via microemulsion, reverse microemulsion and other methods. Based on the synergistic effect of high conductivity, high accessibility of the electrolyte and structural stability of hydrophilic carbon materials and high pseudocapacitance of polyaniline arrays, the issue regarding performance degradation of polyaniline due to the skeleton deterioration during electrochemical process is effectively improved. As a result, high power and long lifetime of the materials are realized. The effects of synthetic method, hydrogel structure, the polyaniline-hydrogel-carbon ratio on the microstructure and capacitance performance are studied by means of structure characterization and capacitance property measurement. Importantly, the influence of hydrogel modfied carbon materials on ion migration, charge transport and stability is investigated. Finaly, the formation mechanism of array structures, the relationship between the microstructure and the properties such as capaciance, rate and cyclabiilty. This research not only enriches the synthesis technology of ordered heterostructures, but also promotes theoretical basis research and practical application of high-performance capacitor material.

集赝电容与双电层电容于一体的有序异质结构的设计成为当前化学电源领域的热点问题。本课题以网络状水凝胶修饰的碳纳米管和石墨烯为基体，采用微乳法、反相微乳法等实现阵列间距可调的聚苯胺在其表面的限域生长，获得三维的聚苯胺阵列/水凝胶/碳新型电容器复合材料。利用亲水性碳材料高导电性、高的电解液透过率、结构稳定性，与聚苯胺阵列高赝电容特性的协同作用，有效改善聚苯胺在电化学中因骨架恶化导致的性能衰退问题，实现其高功率和长寿命特性。运用结构表征和电容性能测试手段，研究合成方法、水凝胶结构、聚苯胺-水凝胶-碳配比等对材料微结构和电容性能的影响，重点研究水凝胶修饰的碳材料对离子迁移、电荷传递和稳定性的影响，阐明阵列结构的形成机理、以及微结构与其电容、倍率和循环性能的关联性。本课题的研究不仅丰富了有序异质结构的合成技术，而且促进了高效电容器材料的理论基础研究和实际应用。

集赝电容与双电层电容于一体的有序异质结构的设计成为当前化学电源领域的热点问题。在本课题中，我们首先开展了聚合物、金属有机框架、生物质等衍生的一维/二维/三维多孔炭材料的制备及电化学电容性能研究，掌握了高比表面积掺杂型多孔炭材料的制备技术，深入理解了分级孔道结构炭材料的储能优势。在此基础上，我们以碳纳米管、还原的氧化石墨烯、网络状水凝胶修饰的碳纳米管、凝胶型聚合物修饰的炭布、金属有机框架衍生炭片修饰的炭布等为亲水性基体，采用简便的乳液聚合法、原位聚合法、电化学聚合方法实现了纳米结构聚苯胺阵列或颗粒在炭表面的限域生长，获得多种超级电容器聚合物复合材料（三维结构的聚苯胺纳米纤维/多壁炭纳米管、聚苯胺纳米纤维/还原的氧化石墨烯纳米片、聚苯胺阵列/水凝胶/碳纳米管、聚苯胺/聚乙烯吡咯烷酮修饰的炭布、聚苯胺/ZIF-67衍生的炭片修饰的炭布等）。通过扫描电镜、透射电镜、红外、X射线衍射、X射线光电子能谱、N2吸脱附、循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等，表征了材料的形貌、组成、结构、孔特性，评价了材料电化学性能。探讨了合成方法、炭化工艺、炭含量、水凝胶结构、苯胺浓度、电聚合时间对材料微结构和电容性能的影响，揭示了材料的离子迁移、电荷传递及稳定性影响因素，阐明阵列结构的形成机理、以及微结构与其电容、倍率和循环性能的关联性。我们也开展了聚合物/功能炭基锌离子电池的性能研究工作。研究结果表明：利用亲水性炭材料的高导电性、高的电解液透过率、结构稳定性，与纳米结构聚苯胺高赝电容特性的协同作用，可以有效解决聚苯胺在电化学中的性能衰退问题，实现其高功率和长寿命特性。本课题的研究丰富了有序结构的合成技术，并促进了高性能电容器材料的理论基础研究和实际应用。完成了项目计划的研究内容。.项目执行期间，在国内外学术刊物上共公开发表15篇，其中SCI论文13篇。在人才培养方面，已毕业和正在培养的研究生共8人。达到了项目预期的目标。