21世纪科技高速发展, 电池和静电电容器这两类储能器件已经不能满足人们生产、生活的需要。新型的超级电容器与静电电容器的功率密度相近, 与电池的电荷储存能力相仿, 而且在耐温和维护等方面优势明显。在材料科学研究领域, 导电聚合物重量较轻、可加工性好, 抗腐蚀性好、电子传输能力强, 应用前景广阔, 其中聚吡咯以合成简单、导电率高、环境稳定性好、电荷贮存能力强等优点成为近来的研究热点。聚吡咯的制备方法主要有电化学聚合法、化学氧化法、模板法等, 其中化学氧化法工艺简单, 成本较低, 最为常用。本文以水为介质, 高锰酸钾为氧化剂, 利用化学氧化法制备了系列聚吡咯/二氧化锰复合材料, 并考察了温度对其电化学性能的影响。
1 实验研究
(1) 实验主要仪器及试剂仪器:傅里叶变换红外光谱仪;X射线衍射仪;扫描电子显微镜;电化学工作站等。
试剂:吡咯;高锰酸钾;硫酸钠;丙酮 (均为分析纯) 等。
(2) 实验过程 (1) 聚吡咯/二氧化锰复合材料的合成釆取2m L吡咯和200m L去离子水混合均匀后置于三口烧瓶中, 将配置好后用盐酸酸化过的0.5mol/L的高锰酸钾水溶液用恒压滴液漏斗缓慢加入到该三口烧瓶中, 在特定温度下用电动搅拌器搅拌8h后停止反应, 将产物抽滤, 然后用丙酮和去离子水各洗涤3次至滤液呈无色, 在60℃的恒温箱中干燥10h, 即得到系列复合材料。
注:将反应温度0℃、20℃、40℃、60℃下制备的复合材料编号为A、B、C、D样品。
(2) 复合材料的结构表征釆用美国赛默飞生产的Nicolet is5傅里叶变换红外光谱仪对样品的成分和结构进行表征;用日本理学生产的Rigaku D/max-2500 X射线衍射仪对样品粉末进行晶相分析;用日本日立高新生产的SU3500扫描电子显微镜观察样品的微观形貌。
(3) 复合材料的电化学性能测试釆用北京华科普天科技公司生产的CHI660D型电化学工作站进行复合材料样品的电化学性能测试。其中循环伏安和恒流充放电测试用复合材料作工作电极, 铂丝作对电极, Ag/Ag Cl电极作参比电极, 电解液为0.5mol/L的硫酸钠溶液, 电势范围为-0.4~0.8V。交流阻抗测试初始电位为开路电势, 测试频率范围为10-2~105Hz, 电位稳定时间为2s, 其余条件同上。循环性能测试采用0.5Ag-1的电流密度对复合材料进行恒流充放电, 通过分析放电容量随循环次数的变化来评价电容器容量的稳定性。
2 结果与讨论
(1) 复合材料的结构表征分析 (1) IR测试釆将样品的IR谱图与标准图库对比, 1541cm-1和1449-1出现的吸收峰为聚吡咯环的C=C特征吸收峰, 1382cm-1和1041cm-1处出现的是聚吡咯环的C-N吸收峰, 3403cm-1处较强的则为聚吡咯环的N-H伸缩振动峰, 这表明合成的为聚吡咯。
(2) XRD测试釆样品的XRD图中主要衍射峰2θ为22°, 这也表明合成的为聚吡咯, 在22.4°、26.3°处出现较宽的衍射峰, 则说明聚吡咯存在一定程度的晶化。
(3) SEM测试釆对比不同温度下制备的样品的SEM图可知, 温度较低时制备的A样品呈不定型结块, 且随着温度增高, B、C样品的结块逐渐减少, 60℃时制备的D样品呈球形, 颗粒细致均匀, 无结块, 单位体积内电极活性物质的表面积大、空隙多。
(2) 复合材料的电化学性能测试分析 (1) 循化伏安测试。当实验扫速为30m V s-1时, 4种复合材料样品的CV曲线都接近于矩形, 且随着扫速增大, 它们的CV曲线都发生变形, 但是温度较低时制备的A、B、C样品变形较大, 当扫速达90m V s-1下, D样品的CV曲线仍保持对称性较好、较规则的矩形。
(2) 恒流充放电测试釆在0.5A g-1的电流密度下对4种样品进行恒流充放电测试, 它们的实验曲线都有一定的对称性, D样品的尤为明显, 根据公式可以计算, 其比电容量也最大;增大电流密度后, D样品的电容降低趋势也最为平缓, 说明其倍率特性较好。
(3) 交流阻抗测试釆对比4种样品的交流阻抗曲线, 样品制备的温度越低, 其在高频区的Rs和Rct越大, 即测试表明D样品的扩散阻抗最小。
(4) 循环性能测试釆将D样品在0.5A g-1的电流密度下进行了800次恒流充放电测试, 经过800次充放电后其比电容衰减到初始值的92.6%, 说明其循环稳定性能很好。
摘要：本文以吡咯、高锰酸钾为原料, 用化学氧化法在不同温度下制备了系列聚吡咯/二氧化锰复合材料, 采用FTIR、XRD、SEM等手段对其进行结构表征, 并通过循环伏安、恒流充放电、交流阻抗, 循环性能等方法对其进行电化学电容性能测试, 结果表明, 60℃下制备的复合材料单位体积内电极活性物质的表面积大、空隙多, 比电容最大、倍率特性较好、扩散阻抗最小、循环稳定性能也较好。
关键词：聚吡咯,超级电容器,复合材料
参考文献
[1] 马慧荣, 李梅, 徐清钢, 等.导电聚吡咯的研究进展[J].山东轻工业学院学报, 2011, 25 (1) :14-18.
[2] 林生岭, 曹旭, 林琪, 等.化学氧化法合成聚吡咯工艺条件优化及电化学性能[J].江苏科技大学学报 (自然科学版) , 2010, 24 (4) :353-356.