多层次纳米炭材料负载聚苯胺的构建与电化学特性研究

本项目拟在二维(2-D)石墨烯片层引入0-D炭黑和1-D碳纳米管，组装成具有3-D结构的多层次纳米炭基体，并在炭基体表面通过原位化学沉积纳米聚苯胺制备复合电极材料。该复合材料将聚苯胺高的赝电容与多层次纳米炭高的比表面积、开放的层间孔道结构以及弹性的导电网络有机的结合，使材料同时具有高的比容量、良好的功率特性和稳定的循环寿命。深入探讨多层次纳米炭结构对复合材料的功率特性和循环寿命的影响，并详细研究化学沉积工艺参数对聚苯胺的微观结构的影响及其形核机制。在此基础上提出多层次纳米炭的组装和电极材料的储能机理，探索并优化工艺参数实现对材料结构及电化学性能的控制，为主动优化设计新型储能材料提供理论指导，同时为光电子器件、传感器、新型电磁屏蔽及吸波材料等领域的应用提供借鉴，具有重要的理论意义和工程应用价值。

采用不同的方法将球状炭黑引入到石墨烯片层中，以利于提高电解液离子与活性物质的接触面积，进而提高其电化学的性能。碳纳米管（CNTs）以其管间的孔隙相通，也是很好的导电材料。因此，通过在GNS/CB复合材料中引入不同含量的碳管来考查其电化学的性能，而后我们又在GNS/CB/CNT复合材料表面沉积聚苯胺（PANI）赝电容材料制备了GNS/CB/CNT/PANI复合材料, 研究复合材料微观结构和电化学性能之间的关系。. 采用了原位还原法和超声混合法两种不同的方法制备GNS/CB复合电极材料，通过在石墨烯片层间插入炭黑不仅可以抑制石墨烯的聚集提高了其表面利用率，还能在片层间起到支撑和桥连导电作用，有利于电子以及电解液离子在材料内部的快速传输，因此显著提高了复合材料的比容量和功率特性，同时这种插层结构还使复合材料具有优良的充放电可逆性以及循环稳定性。. 在GNS/CB复合材料中加入含量不同的碳纳米管制备了GNS/CB/CNT复合材料，通过循环伏安曲线分析、交流阻抗分析曲线以及恒流充放电曲线分析和微观结构的分析，研究结果表明随着碳纳米管含量的不断增加，GNS/CB/CNT复合材料的比电容逐渐的减小，这是由于碳纳米管的比表面积很小，而且聚集缠绕，很难通过简单的超声得到分散，所以随着碳纳米管加入量的增加，复合材料的比容量反而降低从而影响了GNS/CB/CNT复合材料电化学性能。所以加入的碳管并不是越多越好，少量的碳管加入会提高复合材料的结构和性能，相反过多的加入会起到相反的效果。. 以不同结构的纳米碳为基体，采用原位聚合的方法制备了碳/聚苯胺复合电极材料，详细考察了纳米碳基体的微观结构对碳/聚苯胺复合材料电化学性能的影响，研究结果表明三种复合材料的优劣顺序为GNS/CB/CNT/PANI>GNS/CB/PANI>GNSPANI。这主要是由于一方面插入石墨烯片层间的炭黑能提高石墨烯的表面利用率，从而更有利于聚苯胺以纳米级颗粒均匀沉积在石墨烯表面，另一方面插入石墨烯层间的炭黑还能起到支撑作用，是复合材料形成利于电解液离子传输的开放的层间孔道，同时石墨烯、炭黑和碳纳米管形成具有三维结构的整体的导电网络，有利于电子在复合材料内部的快速传输，从而使GNS/CB/CNT/PANI具有优良电化学存储性能和循环使用寿命。