利用炭气凝胶填料改善聚苯胺的电化学性能

1. 利用炭气凝胶填料改善聚苯胺的电化学性能 报告人： 徐飞 指导老师：符若文 教授 吴丁财 副教授

2. 主要内容 1.前言 2.结果与讨论 3.结论 4.发表论文 5. 致谢

3. 1.1 聚苯胺 自从聚苯胺的导电特性被马克迪尔米德（Alan.G. MacDiarmid）在1984年重新开发以后，它成为材料和高技术领域研究的热点。

4. 1.2 超级电容器 • 超级电容器的优势： • 比传统电容器有更高的能量密度 • 比充电电池有更高的功率密度和使用寿命 Fig. 1 Comparison of various electrical energy storage devices

5. 1.2 超级电容器 信息技术 移动通讯 交通运输 航空航天 关键技术 作为混合动力电动汽车的动力电源 高性能电极材料的开发

6. 1.3 实验思路设计 聚苯胺 特点 合成简单，原料易得 化学稳定性好 最有希望实际应用于超级 电容器用导电聚合物材料 电容特性高 3 独特的快速可逆的掺杂机制 存在的问题 • 多次充放电过程中高分子链结构易破坏，稳定性差 • 处于绝缘状态时电阻升高，大电流充放电性能差 解决办法？

7. 1.3 实验思路设计 References Ours 碳纳米管 （CNT） 炭气凝胶 （CA） 一维的导电通道 三维导电网络 成本高，不宜大规模应用 价格低廉,大规模应用 容易团聚 无团聚现象 改性效果 25％CNT: 提高1.12倍 1.0%CA :提高2.54倍!

8. 1.3 实验思路设计 Fig.2. Schematic illustration of the procedure for preparing CA modified PANI.

9. 2.1 电化学结果与分析 炭气凝胶（CA） 聚苯胺(PANI) Fig. 3. Galvanostatic charge-discharge curves at 10 mA/cm2 of (A) CA and (B) PANI. • 炭气凝胶对称性好，导电性高 • 聚苯胺出现电压降，电阻大

10. 2.1 电化学结果与分析 1.0% CA 0.3% CA 7.5% CA 3.1% CA Fig. 4. Galvanostatic charge-discharge curves at 10 mA/cm2 of PANI/CA composites with various CA/ANI mass ratios: (A) 0.3 wt.%, (B) 1.0 wt.%, (C) 3.1 wt.%, and (D) 7.5 wt.% • 用炭气凝胶改性后，对称性改善,导电性增加

11. 2.1 电化学结果与分析 Fig. 5. Effect of CA content on specific capacitance of PANI/CA composites. • 炭气凝胶改性的聚苯胺都比纯聚苯胺比电容高 • 当含量为1.0 wt%时有最佳改性效果

12. 2.1 电化学结果与分析 62.8 % 27.6 % Fig. 7. Capacitance retention rates as a function of the current densities for CA, PANI, and PANI-CA1.0. Fig. 14 Comparison of capacitances of PANI ,and PANI-CA1.0 at different current density CA改性机理，是否改变了聚苯胺的结构？ • 随电流密度增加，CA改性效果越明显，电容保持率从 27.6%提高到62.8%.

13. 2.2 结构－电化学分析 聚苯胺 CA改性聚苯胺 炭气凝胶三维导电网络被埋覆在聚苯胺基体中 Fig. 8. SEM photographs of PANI (A, B) and PANI-CA1.0 (C, D).

14. 2. 结果与讨论 CA改性聚苯胺 聚苯胺 醌式和苯式强度基本没有变化，聚苯胺化学结构没有改变 Fig. 9. FTIR spectra of PANI and PANI-CA1.0. Table 1 The adsorption wavelength and corresponding groups

15. 2.2 结构－电化学分析 聚苯胺 CA改性 Fig.10. CV curves of PANI and PANI-CA1.0 at 2 mV/s. Fig. 11 . XRD patterns of PANI and PANI-CA1.0. • 在循环伏安图有一对氧化还原峰，两样品的峰位置基本相同，说明相同的化学结构 • 改性过的斜率I/V变大，说明导电性变好 • CA的引入没有改变聚苯胺的结晶特性

16. 2.2 结构－电化学分析 95 mΩ 76 % 69 % 963 mΩ Fig.13 Charge–discharge cycle at a current density of 10 mA/cm2 within the potential window 0 to 0.6 V for PANI, PANI-CA1.0 and CA. Fig. 12. Nyquist plots in the range of 10 k to 10 mHz for PANI and PANI-CA1.0. The inset shows the expanded high-frequency region of the plots. • 交流阻抗可以看出炭气凝胶改性后电阻降低了 • 循环稳定性从69%提高到76%

17. 3.结论 利用原位化学氧化聚合法成功地合成了PANI/CA复合材料。结构分析表明，CA的引入不会改变PANI基体的化学结构和物理结晶特性。 电化学测试表明，复合材料的电化学性能明显好于纯PANI；而且通过调控CA用量还可进一步提高复合材料的电化学性能，研究表明最佳的CA用量为苯胺单体的1.0 wt.%。在50 mA/cm2的大电流密度下，复合材料最佳比电容为226 F/g，而PANI的只有89 F/g，提高了2.5倍。电容保持率(5~50 mA/cm2)也从27.6 %提高到62.8 %。经过200圈恒流充放电后，循环稳定性也有了一定的改善。 CA的改性机理在于：充放电过程中，炭纳米网络骨架在PANI基体中起到三维导电通道和力学支撑点的作用，由此改善了PANI基体的功率特性和循环稳定性，从而赋予复合材料优良的电化学特性。

18. 4.发表论文 Fei Xu, Gengdong Zhen, Dingcai Wu*,Yeru Liang, Zhenghui Li, Ruowen Fu*, Improving electrochemical performance of polyaniline by introducing carbon aerogel as filler. Electrochim. Acta ,revised.(IF=2.848) 徐飞 郑耿东 吴丁财* 符若文*，第十四届反应性高分子会议论文，广州，2008年.

19. 5. 致谢 符若文老师、吴丁财老师给了我无微不至的关怀和悉心的指导。他们渊博的知识，严谨求实的科学态度和非凡的科研能力让我受益匪浅。在生活中他们和蔼可亲，平易近人，潜移默化的教给了我许多做人的道理。进入实验室一年多的时间里，我在学习和生活中所取的每一点进步都凝聚着两位老师的汗水和智慧。在此，谨向符老师和吴老师致以最诚挚的感谢！ 同时感谢实验室各位师兄、师姐、师弟妹们对我学习和生活中的关心、帮助和鼓励！ 感谢创新化学实验与研究基金的支持！ 徐飞 2009-06-5

20. Thank You !