电化学超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是一种利用电化学双电层储能或在电极材料表面及近表面发生快速可逆氧化还原反应而储能的装置,具有高的比功率、比能量和长的循环寿命.文章综述了超级电容器电极材料的储能机理、特点及应用,并重点介绍了石墨烯、二氧化锰及其复合电极材料在超级电容器中应用的最新研究进展.     

聚苯胺在电化学电容器中的应用

采用化学氧化聚和法制备了聚苯胺电极材料,所制备的聚苯胺具有高于420F/g的法拉第赝电容和良好的电化学特性.分别采用聚苯胺作为正极材料,高比容量活性碳作为负极,38%硫酸作为电解液制备了复合型电化学电容器.复合型电容器工作电压达到1.4V,最大电容器比容量达到57F/g,最大比能量达到15.5Wh/kg.电容器200mA/cm2放电条件下真实功率达到2.8W/g,峰值比功率达到20.4W/g.循环工作寿命超过1000次.     

电化学法制备高密度导电聚吡咯的性能研究

系统地研究了溶剂、温度和聚合电流密度对电化学制备本征导电聚吡咯 (PPy)膜密度的影响,分别用四探针法和热失重(TG)法研究了不同密度的PPy膜的电导率和热稳定性.用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)法比较了不同密度的PPy膜的电化学性能.研究表明,在室温下,在乙氰/水(AN/H₂O, 99/1)溶液比在水溶液中容易得到高密度的PPy膜.高聚合电流密度(如10mA/cm²)可以进一步提高PPy膜的密度,用X射线光电子能谱(XPS)对其结构进行了分析.在AN/H₂O(99/1)溶液中用小电流密度(0.1mA/cm²)聚合时,低温(-20℃)有利于提高PPy膜的密度;然而在高电流密度(10mA/cm²)时, 低温(-20℃)不利于提高PPy膜的密度.高密度的PPy膜(1.42g/cm³)用电流密度10mA/cm²在0℃的AN/H₂O(99/1)溶液中制得.该合成方法和常用的低温低电流密度方法制备高密度的PPy膜相比, 合成时间短,条件易实现,更利于实用化.更重要的是,高密度的PPy膜不仅具有高电导率(～220S/cm)和高热稳定性,还具有低的电化学活性.因此,高密度的PPy膜不仅是一种优异的电子导电的电极材料,而且是一种潜在的优异的防腐材料. 关键词： 聚吡咯膜 密度 电导率 热稳定性     

氧化锰三维微型超级电容器电极制备及电化学特性

为增强电容器的电荷贮存能力,用MEMS技术在玻璃上制备高深宽比三维微电极结构,以增大电极的表面积,用阳极恒电压沉积在微电极表面沉积氧化锰作为电极活性物质,用循环伏安和恒流充放电方法对所备的电极进行了电化学性能测试,并用无结构的二维电极进行对比实验. 结果表明,三维电极结构能有效增强电容器的电荷贮存能力,在1.0 mA/cm²的充放电密度下,三维电极的单位底面积比电容达17.88 mF/cm²,是相应二维电极的7倍.     

二次掺杂聚吡咯/聚噻吩膜的制备及其光电性能

为了研究磷酸锌二次掺杂聚吡咯/聚噻吩膜的光电及防腐蚀性能,采用直接接触氧化技术在磷酸锌溶液中制备出掺杂聚吡咯/聚噻吩,再用磷酸锌在脱掺杂聚吡咯的基础上制备出性能优良的二次掺杂聚吡咯/聚噻吩膜。采用循环伏安曲线、扫描电镜和动电位极化曲线测试了二次掺杂聚吡咯/聚噻吩/磷酸锌复合材料的微观形貌及光电性能,并与一次掺杂及未掺杂的聚吡咯/聚噻吩进行了对比。测试结果表明:不锈钢表面覆盖掺杂的聚吡咯/聚噻吩膜都有较好的光电性能,以二次掺杂聚吡咯/聚噻吩膜性能为最好。与未掺杂的聚吡咯/聚噻吩高分子膜相比,二次掺杂聚吡咯膜的腐蚀电位比纯聚苯胺膜提高了约0.989 V,自腐蚀电流降低了约2个数量级。     

聚吡咯/碳纳米管复合物的制备及电性能研究

用原位聚合法制备了聚吡咯/碳纳米管（PPy/MWNTs）复合物。采用XRD、TGA、FT-IR、SEM、四探针测试仪和网络分析仪表征了PPy/MWNTs复合物的组成、结构、形貌和电性能。研究了不同条件,如质子酸及其浓度、引发剂和单体的物质的量比（nAPS/nPy）、MWNTs的质量分数（ωMWNTs）和反应时间对PPy/MWNTs复合物电性能的影响。结果表明,当磷酸浓度为0.1 mol/L、nAPS/nPy为1:1、ωMWNTs等于45 wt%、反应时间12 h时,制备的PPy/MWNTs复合物的导电性和介电损耗性能最好。     

聚吡咯/碳纳米管复合物的制备及电性能研究

用原位聚合法制备了聚吡咯／碳纳米管（ PPy／MWNTs）复合物．采用XRD、TGA、FT－IR、SEM、四探针测试仪和网络分析仪表征了PPy／MWNTs复合物的组成、结构、形貌和电性能．研究了不同制备条件,如质子酸及其浓度、MWNTs的质量分数（ωMWNTs ）、引发剂和单体的物质的量比（ nAPS／nPy ）和反应时间对PPy／MWNTs复合物电性能的影响．结果表明,当磷酸浓度为0．1 mol／L、nAPS／nPy为1：1、ωMWNTs等于45 wt％、反应时间12 h时,制备的PPy／MWNTs复合物的导电性和介电损耗性能最好．     

MnO_2/石墨烯复合电极材料的制备与储能性能

以葡萄糖为还原剂,天然石墨片为原料,采用Hummer法制备了石墨烯粉末(Graphene);并以该产物、KMnO4和HCl为原料,采用水热法制备了MnO2/Graphene复合材料。用扫描电子显微镜和X射线衍射对所制备的复合材料进行了表征,结果表明,水热法制备的MnO2材料为纯的α-MnO2相,且石墨烯粉末的加入并没有影响MnO2的晶体结构。在1mol/L Na2SO4电解液中进行了循环伏安和计时电位扫描测试,电极材料电化学性能稳定,具有较好的可逆性,在1.27mA/cm2电流密度下进行充放电测试时,电极比电容为147.9F/g;再循环1000次后,电极仍能保持稳定的电容,是一种理想的电化学电极材料。     

基于超级电容器的充放电电路系统研制及其在EAST限制器探针测量中的应用

EAST限制器探针安装在低场侧限制器,在环向上共有两个阵列,可以同时工作在悬浮电位测量、离子饱和流测量和扫描单探针模式.当朗缪尔静电探针运行在离子饱和流测量模式时,需要为其提供稳定的偏压.本文采用大容量电容器为探针提供偏压,相比于其他磁约束聚变装置上使用的9 V干电池组,大容量电容器具有电压设置灵活、易于维护和环保等优点.为此,研发和测试了整套超级电容器的充放电控制电路.本文还基于Python语言开发了超级电容器充放电控制电路的控制软件,通过该软件可以实现对电路的远程控制和自动控制.经实验测试,电容器充放电控制电路可以在长脉冲放电条件下为探针输出稳定的偏压,适用于磁约束聚变的复杂电磁环境.通过将超级电容器充放电控制电路应用于EAST限制器探针诊断,测量了2.45 GHz和4.6 GHz两种低杂波加热条件下刮削层等离子体离子饱和流、悬浮电位、电子温度和密度等特征参数的三维分布,发现2.45 GHz低杂波加热时刮削层电子密度较高,而双波协同加热时刮削层电子密度最高.这一系列测试与物理实验充分验证了超级电容器充放电控制电路的可靠性和稳定性.     

电化学法制备的还原氧化石墨烯薄膜及其光电性能研究

通过电化学方法在FTO导电玻璃上沉积了不同还原程度(C/O)的还原氧化石墨烯薄膜(rGO),其中rGO薄膜由未经处理的GO电解液制备,A-rGO由碱处理后的电解液制备,B-rGO由NaBH4处理后的电解液制备。利用XRD、XPS、SEM、UV-Vis对薄膜的化学结构和微观形貌进行了表征,并研究了薄膜在可见光照射下的光电性能。结果表明:在1.8 V下沉积的不同C/O比的rGO薄膜中,B-rGO薄膜的C/O比最高(8.1),带隙最小(0.54 eV),导带最靠近FTO的导带位置。在可见光照射下,几种薄膜均产生了阴极电流,电流密度随C/O比的增大而增大,其中B-rGO最大达1μA·cm-2。本文提供了一种通过控制C/O比来控制rGO薄膜光电性能的方法。     

化学溶液沉积制备氧化石墨烯掺杂YBCO薄膜

YBCO薄膜在液氮温区具有优异的性能,围绕低成本溶液沉积技术和新型添加剂的研究是目前研究热点.采用化学溶液沉积技术成功制备出氧化石墨烯掺杂YBCO薄膜.通过在YBCO前驱液中引入氧化石墨烯,改变YBCO胶体的热解行为,促进YBCO前驱体的分解.在晶化过程中,氧化石墨烯有利于抑制YBCO晶粒长大.结果表明,适量添加氧化石墨烯可以改善YBCO薄膜的微观形貌和外延生长,提高超导层的性能.     

基于石墨烯/石墨烯卷轴复合薄膜高灵敏度柔性压力传感器

一维导电材料例如纳米线,大量应用于柔性压力传感器中. 但是一维材料和基底之间接触时相互作用力较弱,使得传感器灵敏度、响应时间、和循环寿命等性能指标有待进一步提高. 针对这些问题,设计了石墨烯/石墨烯卷轴多分子层复合薄膜作为传感器导电层. 石墨烯卷轴具有一维结构,而石墨烯的二维结构可以牢固地固定卷轴,以确保高导电性复合薄膜与基底之间的粘附性,同时整体结构的导电通道得到了增加. 由于一维和二维结构的协同效应,实现了应变灵敏度系数3.5 kPa^-1、 响应时间小于50 ms、能够稳定工作1000次以上的压阻传感器.     

Au/TiN复合薄膜制备及其表面增强拉曼光谱研究

表面增强拉曼散射光谱(SERS)已用于环境监测、生物医药、食品卫生等领域,而高活性SERS基底是表面增强拉曼散射光谱技术应用的关键。TiN作为新型等离子材料具有较强的SERS性能,同时化学稳定性及生物相容性较好,但其SERS性能不如贵金属金强。该研究采用氨气还原氮化法和电化学沉积法,在TiN薄膜表面沉积贵金属Au纳米颗粒制备出Au/TiN复合薄膜。在Au/TiN复合薄膜中单质Au和TiN两种物相共存;随着电化学沉积时间延长,TiN薄膜表面单质金纳米颗粒数量逐渐增多,金纳米颗粒尺寸增大,颗粒间距减小。由于金与TiN两者的本征表面等离子共振耦合作用,Au/TiN复合薄膜的共振吸收峰发生了偏移。利用罗丹明6G为拉曼探针分子,对Au/TiN复合薄膜进行SERS性能分析,发现Au/TiN复合薄膜上的R6G探针分子的拉曼峰信号强度随沉积时间延长呈现先增大后减小的规律;当电化学沉积时间为5 min时,R6G拉曼信号峰较高,复合薄膜样品的SERS活性最大。将Au/TiN复合薄膜和Au薄膜分别浸泡在10-3,10-5,10-7,10-8及10-9 mol·L-1 R6G溶液5 min,进行检测限分析,发现Au/TiN复合薄膜检测极限达10-8 mol·L-1,增强因子达到8.82×105,与Au薄膜和TiN薄膜相比,Au/TiN复合薄膜上对R6G探针分子SERS活性最高。这得益于Au/TiN复合膜中表面等离子体产生的耦合效应,使得局域电磁场强度增强,从而引起R6G探针分子拉曼信号增强。通过2D-FDTD模拟电场分布发现Au/TiN,Au及TiN薄膜具有电场增强作用,其中Au/TiN复合薄膜的增强作用尤为显著,这也证实了氮化钛与金纳米颗粒之间存在耦合效应。另外发现TiN与Au之间可能存在电荷转移,促进了4-氨基苯硫酚氧化反应,进而证实了TiN与Au薄膜的协同作用。此外,Au/TiN复合薄膜均匀性较好,相对平均偏差仅为7.58%。由此可见,采用电化学沉积制备的Au/TiN复合薄膜具有作为SERS基底材料的应用潜力。     

GOSs-稀土配合物紫外增强材料的光谱分析与稳定性研究

氧化石墨烯薄片(GOSs)作为一种新型的二维片状材料,具有较高的比表面积、丰富的表面含氧官能团以及良好的光热稳定性。而稀土配合物通过无机稀土元素与有机配体的结合表现出优异的荧光特性。为了将两类材料具有的物化特性结合起来应用于紫外光谱探测领域。选取了合适的有机配体啉菲罗啉(1,10-邻二氮杂菲,phen)、2’2-联嘧啶(bpm)作为桥联分子,把氧化石墨烯(GOSs)与稀土配合物通过氢键自组装作用进行复合,制备了高效稳定可调的GOSs-稀土配合物复合荧光材料GOSs-Eu(BA)3phen和GOSs-Eu(TTA)3bpm,并且制备了相应的聚乙烯醇(PVA)共混紫外增强薄膜,对其光谱特性与稳定性进行了深入的研究。采用红外光谱、扫描电镜和金相显微镜等方法,对紫外增强材料进行了性能表征。采用吸收光谱,荧光光谱等方法,对紫外增强薄膜进行了性能表征。此外,通过热重测试(TGA)表征了GOSs氢键复合前后紫外增强材料的热稳定性,通过荧光强度-紫外光照次数表征了GOSs氢键复合前后紫外增强薄膜的光稳定性。红外光谱分析发现,进行配位前后有机配体的特征峰产生了频移,表明稀土配合物中Eu 3+与配体之间存在着明显的配位作用。在进行复合之后,桥联配体的特征峰也产生了偏移,表明GOSs与稀土配合物通过桥联分子的氢键作用进行了进行复合。吸收光谱与荧光光谱测定结果表明增强薄膜吸收峰在200~400 nm,荧光主峰在612 nm左右,为Eu 3+特征红色荧光峰,且不同配体可以实现不同范围的吸收产生差异化的荧光表现。扫描电镜和金相显微镜清晰地展示了稀土配合物复合前后的微观形貌,即颗粒状稀土配合物附着在石墨烯薄片上。光稳定性测试表明经过GOSs氢键复合之后,Eu(BA)3phen和Eu(TTA)3bpm稀土配合物荧光材料在进行25次荧光强度测试后光漂白程度分别下降了4.26%和6.41%,提高了其光稳定性。热重测试也表明在经过GOSs氢键复合之后,稀土配合物的热稳定性有了很大提高。总之,得益于GOSs和稀土配合物的特性结合,所制备的紫外增强材料表现出优异的荧光特性与稳定性,必将在紫外探测方面有着广阔的应用前景。     

不同[Cu]/[In]比例的CuInS2薄膜的特性

采用连续离子层吸附与反应方法在玻璃基板上按照不同[Cu]/[In]的比例制备了CuInS₂薄膜,并在400 °C退火30 min. 对薄膜的晶体结构和晶粒尺寸用X射线衍射方法进行了表征,原子力显微镜测定薄膜的表面形貌. 研究不同的[Cu]/[In]比例对薄膜光学和电学性能的影响. 采用直流两探针法在300～470 °C测定CuInS₂薄膜的电阻率,随着[Cu]/[In]比例的增加,电阻率值越来越低. 溶液中[Cu]/[In]的比例明显影响CuInS₂薄膜的结构、电学和光学特性.     

In Situ Synthesis and Characterization of Polypyrrole/Graphene Conductive Nanocomposites via Electrochemical Polymerization and Chemical Reduction

Polypyrrole/graphene sheets (PPy/GNs) nanocomposite electrodes were in- situ synthesized via electrochemical polymerization and chemical reduction from pyrrole (Py) and graphene oxide (GO). The surface morphologies of the nanocomposites were observed by scanning electron microscopy (SEM). The SEM results showed graphene sheets (GNs) scattered on the surface of the polypyrrole (PPy), and the morphologies of PPy/GNs nanocomposites manufactured by pulse current (PC-PPy/GNs) or direct current (DC-PPy/GNs) were smoother than that of PC-PPy. The electrochemical capacitance properties of the nanocomposite films were measured by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge and discharge (GC), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) techniques in 3 mol·L^?1 KCl aqueous solutions. The results indicated that the specific capacitance of the DC-PPy/GNs nanocomposite was 13.5% higher than that of a PC-PPy electrode. Comparison of the electrochemical performance of the nanocomposites indicated that the PC-PPy/GNs nanocomposite had higher specific capacitance and better charging/discharging capability than that of the DC-PPy/GNs nanocomposite. The specific capacitance of the PC-PPy/GNs nanocomposite could reach to 280 F·g^?1 at a scanning rate of 100 mV·s^?1.     

壳聚糖/SrHAP复合涂层的制备及其FTIR特征分析

在含有Sr2+,Ca2+,PO3-₄和壳聚糖(CHI)的电沉积液中,用恒电流沉积法,在医用纯钛(Ti)表面上得到壳聚糖/掺锶羟基磷灰石(SrHAP)复合涂层。采用扫描电镜(SEM)、能量弥散X射线谱(EDS)、X射线衍射(XRD)对涂层进行检测,用傅里叶变换红外光谱(FTIR)考察了壳聚糖和锶离子的掺杂对HAP涂层构象和生物活性的影响。结果表明：锶部分取代磷灰石中的钙,表面形貌由疏松的针状变为较致密的片状。FTIR分析表明,涂层中出现了典型的amideⅠ和amideⅡ的壳聚糖振动峰,则CHI与SrHAP杂化良好;模拟生理液浸泡后表面覆盖有球状类骨磷灰石,则涂层具备较好的生物活性。塔菲尔测试表明,复合涂层使得Ti表面的抗生理腐蚀性显著提高。     

水溶性多壁碳纳米管/铜酞菁染料

采用化学氧化法制备了可溶性多壁碳纳米管,借助超声作用把可溶性多壁碳纳米管分散在水中形成水溶胶,采用自组装技术制备了可溶性多壁碳纳米管/铜酞菁染料的复合薄膜,采用原子力显微镜、红外光谱、吸收光谱和荧光光谱对可溶性多壁碳纳米管及其水溶胶、自组装复合薄膜进行了表征.实验结果显示多壁纳米碳管水溶胶具有较好的组装成膜性能,吸收光谱结果表明染料分子在膜内形成了J聚集体,荧光光谱结果表明复合薄膜的荧光来自于铜酞菁染料,引入多壁碳纳米管对染料分子的荧光发射特性有一定影响.     

Preparation and Rheology of Isocyanate Functionalized Graphene Oxide/Thermoplastic Polyurethane Elastomer Nanocomposites

Using monomer-functionalized nanofiller to prepare polymeric nanocomposites is a promising strategy toward achieving enhanced performance. In this study toluene-2,4-diisocyanate (TDI), one of the monomers used for synthesizing polyurethane, was covalently functionalized on graphene oxide (GO) and then the functionalized GO (TDI-GO) was polymerized with polycaprolactone diol (PCL) via in-situ polymerization, leading to chemically linked polyurethane nanocomposites through the covalent bonds between the isocyanate groups on GO and the hydroxyl-terminated PCL. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD) and dispersion experiments of the nanofillers demonstrated that the TDI was successfully grafted onto the GO. The rheological properties were investigated to establish the structure-property relationships of the nanocomposites. The storage moduli (G’), loss moduli (G”) and complex viscosity (η*) of the samples increased monotonically with TDI-GO content, which is attributed to the strong polymer-filler interactions and the effective dispersion of the nanofillers. Additionally, the tan δ variation with frequency, the intersection of G’ and G”, Han plots, van Gurp-Palmen plots and Cole-Cole plots all showed that the incorporation of TDI-GO decreased the degree of microphase separation and improved the elastic properties of the nanocomposites. We suggest this is related to the enhanced interactions between the polymer and nanofillers, which strongly restricted the mobility and relaxation of the polymer chains.     

不同分枝结构多孔氧化铝膜的制备和光学特性

在阳极氧化铝的制备过程中,采用二次氧化方法,通过降低二次氧化过程中的电压,使之变为初始电压的1n,得到了具有n个分枝结构的纳米孔径的氧化铝膜.利用岛津UV3101分光光度计测试了样品的透射光谱与偏振光谱.结果表明,在可见和近红外波段,线型孔径结构的多孔铝膜比Y型和枝状结构的多孔铝膜具有更好的透射性能,在偏振性能方面也有优势,更适合作含金属微偏振器件的膜板材料.