石墨烯基杂化材料在微生物燃料电池电极中的应用

微生物燃料电池（MFC）是利用生物催化剂将污水有机物中的化学能直接转化为电能的技术,因其功率密度和能量转化效率低,电极制作成本高,限制了其大规模实际应用。因此如何提高电极的催化性能并降低电极制作成本成为MFC的研究重点方向。由于石墨烯基杂化材料具有良好的导电性和催化特性,因此石墨烯基杂化材料成为在MFC电极应用中的热点之一。本文综述了近年来MFC石墨烯基杂化电极材料的最新研究进展,重点讨论了改性石墨烯电极、金属及非金属/石墨烯杂化电极、金属氧化物/石墨烯杂化电极、聚合物/石墨烯杂化电极和石墨烯凝胶电极的设计思路和制备方法及其催化性能,着重分析了石墨烯基阳极和阴极杂化材料对MFC产电性能的影响。最后对石墨烯基杂化材料在MFC应用中存在的问题及研究前景进行了总结和展望。     

石墨烯-聚苯胺类超级电容器复合电极材料

聚苯胺理论比容量高、易合成,是一种理想的电极材料,但其循环寿命差,而石墨烯具有高的理论比表面积,将二者复合,充分利用两者之间的协同效应,能够使复合材料具有优异的电化学电容性能。本文回顾了近几年石墨烯-聚苯胺纳米复合材料在超级电容器中的最新研究结果及其制备方法,并对如何优化电极的结构与性能进行讨论,同时介绍了石墨烯-聚苯胺类电极材料在有机超级电容器中的应用进展,最后对石墨烯-聚苯胺复合材料的前景进行了展望。超级电容器用石墨烯-聚苯胺纳米复合材料的发展取决于其合理的微观结构设计,构建理想的三维多孔结构以避免聚苯胺的膨胀与收缩现象是研究的方向之一,此外,在改善石墨烯和聚苯胺间弱的界面相互作用的同时寻求石墨烯性能与功能化的平衡仍是难点,机械性能优异的聚苯胺纳米复合材料对于柔性全固态超级电容器的研究也会起到关键作用。     

石墨烯/聚苯胺复合材料在超级电容器中的研究进展

聚苯胺理论比容量高,具有优良的导电性能,是理想的超级电容器电极材料。但是,在长期的充放电过程中容易发生体积的收缩与膨胀,循环寿命差。同时,石墨烯由于具有高的理论比表面积,被广泛用作超级电容器电极材料。将聚苯胺与石墨烯复合,利用二者的协同作用,使复合材料具有优异的电化学性能。本文综述了石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法以及近年来在超级电容器领域的主要研究成果,并就其目前存在的主要问题进行了讨论,最后对石墨烯/聚苯胺复合材料的前景进行了展望。     

自支撑三维功能化石墨烯/聚苯胺电极材料的制备及超级电容性能

采用水热法制备了三维石墨烯(3D-G),并以十八胺(ODA)为接枝剂对部分还原的氧化石墨烯进行氨基化处理,再利用原位聚合法在氨基化石墨烯表面生长聚苯胺,制备了十八胺功能化石墨烯/聚苯胺(G-ODA/PANI).对材料进行了结构表征、电化学性能分析和材料结构的比电容贡献分析.结果显示,电极材料的电容贡献大部分体现为材料的表面电容,G-ODA/PANI电极片在1 A/g电流密度时的比电容最高可达1080 F/g,是未功能化石墨烯/聚苯胺电极材料(G/PANI)的2.57倍,且循环稳定性也有很大的提高,循环10000周后的比容量保持率为90.8%,比G/PANI高9.6%.     

超级电容器石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

脉冲激光法制备修饰纳米Eu_2O_3/聚苯胺导电杂化薄膜

采用聚焦脉冲激光法(PLA-IT/SFL)制备修饰纳米Eu2O3/聚苯胺有机溶胶及其杂化薄膜材料。考察了制备条件对修饰纳米Eu2O3/聚苯胺有机溶胶荧光性能的影响。TEM显示Eu2O3粒子粒径约为15 nm且其在聚苯胺中有较高的稳定性。荧光光谱表明该杂化薄膜材料在紫外光照射下发出强烈的红光,且荧光强度达2.53×105a.u。杂化薄膜材料的电导率为1.13×10-2S.cm-1。热分析表明该杂化薄膜比导电性聚苯胺(PAN-HCSA)薄膜具有更好的热稳定性。该杂化薄膜材料可望用于电致发光领域。     

石墨烯/偶氮杂化材料研究进展

石墨烯作为一种新型二维平面纳米材料,表现出许多优异的物理性质.含偶氮苯的化合物和聚合物作为功能材料具有独特的光响应性质.将石墨烯的特性与偶氮材料的光响应性相结合,有望发展一类具有卓越性能的新型光电功能材料.本文总结了石墨烯/偶氮杂化材料这一研究方向的最新进展,重点介绍了杂化材料的制备、表征和光电功能性质等,并简要展望了这类材料的发展前景.     

用于高分子太阳能电池的石墨烯量子点电极界面材料

高分子太阳能电池中的电极界面层对于器件性能十分重要,开发新型电极界面材料是提高器件性能的有效方法.不同于传统的电极界面材料(导电高分子、无机氧化物、金属及其盐、高分子电解质等),我们发展了石墨烯量子点电极界面材料体系.与氧化石墨烯相比,边缘羧基化的石墨烯量子点(EC-GQD)的氧官能团种类单一,因此具有化学修饰可控、性质容易调节的特点,作为阳极/阴极界面材料能实现更高的器件性能.EC-GQD自身具有高功函、成膜性好的特点,作为阳极界面材料,器件性能优异;通过对EC-GQD边缘的羧基进行化学修饰,引入碱金属离子、季铵盐或极性基团,可实现电极功函的大幅度降低,因此我们开发出多种低功函的阴极界面材料.本文系统介绍了边缘羧基化石墨烯量子点衍生物的结构特征、化学修饰及其作为电极界面材料在高分子太阳能电池中的应用.     

石墨烯化聚合物:一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子能源材料

近年来,用于电化学能源存储和转化的石墨烯材料,得到了研究者们越来越多的关注。但是,这些石墨烯材料不同于严格定义的单原子碳层结构,往往具有孔洞、杂原子和化学官能团等缺陷结构。由于制备方法的不同,缺陷结构各不相同,其电化学性能也表现各异。结构分析表明,这类材料是由类似石墨烯片段的单元与聚合物链共价连接而成,使其具有石墨烯和聚合物的双重特性,我们称之为石墨烯化聚合物。由小分子通过自下而上的方法制备的多孔聚合物,也可以通过进一步热交联等方法,使其形成包含石墨烯片段单元与聚合物链的化学结构。这些材料与石墨烯衍生材料一起组成了石墨烯化聚合物的整个谱系;这个谱系涵盖了由聚合物到石墨烯的过渡区。更重要的是,这类材料特殊的结构与性质,使其成为一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子材料,非常适合作为电极材料应用于电化学能源存储和转化,这为我们深入研究储能器件中电极材料的结构与性能的相关关系提供了很好的材料平台。     

自支撑石墨烯/聚苯胺纳米纤维薄膜的制备及其电化学电容行为

用真空抽滤氧化石墨（GO）与聚苯胺（PANI）纳米纤维的混合分散溶液,流动组装得到自支撑GO/PANI复合薄膜,再利用气态水合肼还原其中的GO,最后重新氧化和掺杂还原态PANI,制备了自支撑石墨烯（GN）/PANI薄膜.扫描电子显微镜（SEM）结果显示,GN/PANI薄膜为层状结构,且PANI纳米纤维均匀插层于GN片间.PANI纳米纤维在复合薄膜中的存在有效增大了GN之间的层间距,有利于电解液离也GN充分接触.GN的高电导性则有利于PANI氧化还原过程中的电荷传输.电化学测试表明,GN/PANI薄膜在1 mol·L^-1HCl电解液中具有良好的电化学电容性能,在0.1 A·g^-1的电流密度下的比容量为495 F·g^-1,在3A·g^-1时为313 F·g^-1.经过2000次连续充放电,其具有90%的电容保持率,表明该复合材料具有良好的电化学稳定性.     

Influence of silver-decorated multi-walled carbon nanotubes on electrochemical performance of polyaniline-based electrodes

In this work, silver (Ag) nanoparticles were deposited on multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) by chemical reduction while Ag-decorated MWNTs (Ag-MWNTs)/polyaniline (PANI) composites were prepared by oxidation polymerization. The effect of the Ag incorporated into the interface of the composites on the electrochemical performance of the MWNTs/PANI was investigated. It was found that highly dispersed Ag nanoparticles were deposited onto the MWNTs, and the Ag-MWNTs were successfully coated by PANI. According to cyclic voltammograms, the Ag-MWNTs/PANI exhibited significantly increased electrochemical performances compared to MWNTs/PANI and the highest specific capacitance obtained of MWNTs/PANI and 0.15 M Ag-MWNTs/PANI was 162 F/g and 205 F/g, respectively. This indicated that Ag nanoparticles that were deposited onto the MWNTs caused an enhanced electrochemical performance of the MWNTs/PANI due to their high electric conductivity, which resulted in an increase of the charge transfer between the MWNTs and PANI by a bridge effect.     

聚苯胺对纳米CdS的光致发光增强效应

利用电化学脉冲沉积法在聚苯胺(PANI)膜上制备了纳米CdS/PANI复合膜,并利用扫描电镜光谱、紫外可见光谱、红外光谱、拉曼和荧光等光谱技术表征复合膜的形貌、结构及性质.CdS/PANI复合膜中CdS微粒呈现量子尺寸效应;CdS和PANI间存在相互作用;由于聚苯胺和CdS能级的合适匹配,聚苯胺对CdS的光致发光(PL)有增强效应,增强机理为光生载流子的传递机理.     

APS/NaClO 复合氧化剂对乳液法合成聚苯胺的微观形貌及其电化学性能的影响

采用乳液法, 以过硫酸铵(APS)和次氯酸钠(NaClO)为复合氧化剂合成导电聚苯胺(PANI). 考察了NaClO 的加入与否对PANI 微观形貌与电化学性能(循环伏安和电导率)的影响, 以及APS、乳化剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和NaClO的用量对PANI 电化学性能的影响. 结果表明: NaClO 的加入对PANI 的微观取向结构具有重要的影响. 与采用单一APS 合成的PANI 相比, 复合氧化剂合成的PANI 具有较高的循环伏安峰电流以及更加优异的电导率(约为前者的2.6倍). 当苯胺(An)与APS 的物质的量比(n_An:n_APS )为8:7, An 与SDBS 的物质的量比(n_An:n_SDBS )为10:4, NaClO 用量为5%(质量分数)时, PANI 的各项性能指标达到最好; 紫外可见光谱和红外光谱的表征结果表明, 采用复合氧化剂并未对PANI 的分子结构产生明显的影响.     

Investigations on silver/polyaniline electrodes for electrochemical supercapacitors

Polyaniline (PANI) and silver doped polyaniline (Ag/PANI) thin films were deposited on stainless steel substrates by a dip coating technique. To study the effect of doping concentration of Ag on the specific capacitance of PANI the concentration of Ag was varied from 0.3 to 1.2 weight percent. Fourier transform-infrared and Fourier transform-Raman spectroscopy, and energy dispersion X-ray techniques were used for the phase identification and determination of the doping content in the PANI films, respectively. The surface morphology of the films was examined by Field Emission Scanning Electron Microscopy, which revealed a nanofiber like structure for PANI and nanofibers with bright spots of Ag particles for the Ag/PANI films. There was decrease in the room temperature electrical resistivity of the Ag/PANI films of the order of 10(2) with increasing Ag concentration. The supercapacitive behavior of the electrodes was tested in a three electrode system using 1.0 M H(2)SO(4) electrolyte. The specific capacitance increased from 285 F g(-1) (for PANI) to 512 F g(-1) for Ag/PANI at 0.9 weight percent doping of Ag, owing to the synergic effect of PANI and silver nanoparticles. This work demonstrates a simple strategy of improving the specific capacitance of polymer electrodes and may also be easily adopted for other dopants.     

聚苯胺对钯催化甲酸电氧化反应的促进作用

钯基纳米材料是甲酸电氧化反应的优良催化剂.本工作制备了两个系列钯基催化剂,并考察了聚苯胺对钯上甲酸电氧化反应的助催化作用.一种是以聚苯胺为基底,在其表面电沉积钯纳米粒子,制得nPANI/Pd催化剂(n表示聚合苯胺的循环数);另一种是直接在商业Pd/C催化剂表面电聚合苯胺,制得Pd/C/nPANI催化剂.结果显示,聚苯胺单独存在时对甲酸电氧化反应没有催化活性,但其可对钯上甲酸电氧化反应呈现明显的促进作用,且促进作用与聚苯胺的厚度(聚合循环数)密切相关.在两个系列催化剂中,15PANI/Pd和Pd/C/20PANI显示出最高的催化性能.15PANI/Pd中钯的质量比催化活性是纯钯催化剂的7.5倍; Pd/C/20PANI中钯的质量比催化活性和本征催化活性分别是商业Pd/C催化剂的2.3和3.3倍.钯催化性能的提升与聚苯胺和钯纳米粒子间的电子效应有关.     

一种水中可溶性导电聚苯胺的制备与表征

分别以聚乙二醇(PEG)的水、乙醇溶液为反应媒介, 制备了Keggin结构杂多酸(H₄SiW₁₂O₄₀)掺杂的导电聚苯胺材料. 此聚苯胺经IR, XRD, UV-Vis光谱进行了表征, 并采用标准的四探针法对其电导率进行了测定. 同时系统地研究了杂多酸、氧化剂和单体的比例、反应混合体系温度的改变等对所合成聚苯胺的产率、导电率、水中溶解性等方面的影响. 结果表明, 在PEG乙醇溶液中制备的聚苯胺比在水溶液中制备的有较高的产率、电导率和溶解率. 其最高电导率可达到1.87 S/cm, 溶解率可达53%.     

苯胺在聚丙烯酰胺水、乙二醇溶液中的聚合研究

以聚丙烯酰胺为反应基质,分别在聚丙烯酰胺的水、乙二醇溶液中制备了掺杂态导电聚苯胺.探索了合成可溶性导电聚苯胺的最佳条件.采用红外、紫外可见光谱、X射线粉末衍射等手段对产品进行了表征.实验结果表明,在保持聚苯胺电导率基本不变的情况下,采用在聚丙烯酰胺的乙二醇溶液中制备的聚苯胺比水溶液中制备的聚苯胺有较好的溶解率.     

聚苯胺的表面修饰及防腐性能

用八甲基环四硅氧烷(D₄)对聚苯胺(PANI)进行表面修饰, 通过对产物的循环伏安(CV)、 极化曲线(Tafel)以及接枝率的表征分析, 考察了反应温度、 反应时间、 单体用量和pH值对产物的接枝效果、 分散性和腐蚀电位的影响. 同时, 通过循环伏安(CV)、 紫外-可见光谱(UV-Vis)、 红外光谱(FTIR)、 X射线衍射分析(XRD)和热重分析(TGA), 对PANI表面修饰前后的结构和性能进行了比较. 结果表明, 通过D₄对PANI颗粒表面进行修饰, PANI的分散性、 分散稳定性和和防腐能力得到显著提高.     

Confinement of polyaniline chains in capillary layers: an ordering effect of the uniaxially aligned surfaces

An ordering effect of uniaxially aligned poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) substrates prepared by rubbing on polyaniline (PANI) molecules at the interfaces of PTFE/PANI film and PTFE/PANI solution has been investigated using electronic absorption spectroscopy. It was observed slight dichroism in electronic spectra from only very thin (thickness approximately 20 nm and less) PANI films as well as from PANI solutions of capillary thickness (10 to 30 microm) confined by oriented PTFE surfaces. The ordering effect is discussed in terms of a hydrodynamic flow arising upon sample formation and steric factors at the PTFE surface, which cause uniaxial deformation of the polymer coil on the rubbed PTFE surface.