摘 要

聚苯胺( Polyaniline，简写 PANI)通过酸掺杂和碳化后具有很大的可调范围的电导率，可在绝缘体和导体之间变化。本次实验采取原位聚合法合成聚苯胺：利用盐酸（缩写为 HCL），苯胺，过硫酸铵（ APS）和碳纸，通过磁力搅拌后合成 C- PANI，并利用TEM 、FTIR分析和 XRD测试技术对材料微观结构进行了表征。随后把C-PANI制成电极，通过CV、GCD以及循环寿命分析进行电化学性能测试， 还研究了磷钼酸（ PMo12）的掺杂对复合材料电化学性能的影响。 本次研究主要目的是通过比较碳/聚苯胺在有无磷钼酸的情况下的电容特性。 通过研究表明，在加入磷钼酸的碳/聚苯胺的比容量将上升10%以上。

关键词：磷钼酸，聚苯胺，电容特性

The research of improving electrode capacitance characteristics of C-PANI composite with phosphomolybdic acid

Abstract

Polyaniline (Polyaniline, abbreviated as PANI) has a large range of conductivity after acid doping and carbonization and can vary between insulators and conductors. In this experiment, polyaniline was synthesized by in-situ polymerization: C-PANI was synthesized by magnetic stirring using hydrochloric acid (abbreviated as HCL), aniline, ammonium persulfate (APS) and carbon paper, and TEM and XRD testing techniques were used to study the material. The microstructure was characterized. Subsequently, C-PANI was fabricated into electrodes, and the electrochemical performance was tested by CV, GCD and cycle life analysis. The influence of doping of phosphomolybdic acid (PMo12) on the electrochemical properties of the composites was also studied. The main purpose of this study was to compare the capacitance characteristics of carbon/polyaniline with or without phosphomolybdic acid. Studies have shown that the conductivity of carbon/polyaniline added with phosphomolybdic acid will increase by more than 10%.

Keywords: Phosphomolybdic acid, polyaniline, capacitive properties

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 研究相关背景 1

1.2.1 国外相关研究回顾 2

1.2.2 国内相关研究回顾 4

1.3 本文的研究方法、思路及创新点 7

第二章 样品制备步骤，材料表征和电化学测试 9

2.1 样品制备步骤 9

2.1.1 仪器与试剂 9

2.1.2聚苯胺的制备方法 9

2.1.3碳/聚苯胺的制备方法 9

2.2 材料表征和电化学测试 10

2.2.1材料的微观结构表征 10

2.2.2电化学测试方法 10

第三章 结果与讨论 12

3.1 透镜分析 12

3.2 碳/聚苯胺的结构分析 12

3.2 碳/聚苯胺的电化学性能分析 14

第四章 结论 18

参考文献 20

致谢 24

第一章 引言

1.1 研究目的及意义

近年来，由于普通电容器存在工作电压和能量密度低的缺陷，化石燃料的枯竭和人们对气候变化的关注，人们开始寻求一种新的可持续的能源和管理模式[1]以满足我们对能源的需求[2]。 我们迫切需要提高当前能源模型的效率和可持续性，因此不断推动对新能源存储系统的研究和对现有能源存储系统的改进[3]。

自从聚苯胺(PANI)的导电性被麦德密特和埃尔多安发现后，PANI的使用便引起了人们的兴趣。 PANI具有独特的氧化还原性、良好的热稳定性和易加工性等优点，使其适应于很多应用领域，是一种很有前景的电极材料。

PANI具有苯环与醌环共存的结构，如下图所示。Y的数值表示其氧化还原度，氧化还原度的不同对应着不同的导电率和结构。但是纯的聚苯胺有很多缺点，比如在很多有机溶剂不溶解，不易延展和流动性不够良好等。但是通过碳复合可以有效改进它的这些缺点，从而能够使其具有良好的导电性和流动性，在电极材料的领域具有广泛运用。

在这种情况下，超级电容器成为了电化学储能领域的真正最理想的选材[4]， 能够满足混合动力电动车辆或其他电器等高能量应用的某些特定要求。 有两种主要类型的超级电容器[5]： （i）双电层电容器，基于双电层电荷极化产生的电物理机制和（ii）基于某些氧化还原过程的赝电容器。 多孔碳材料属于第一种类型，并且在双层处有能量储存的大表面。过渡金属氧化物和导电聚合物属于第二种类型，因为它们可以经历一些化学反应过程以允许电荷存储;正因如此，使之作为超级电容器电极的候选材料。总而言之，碳掺杂的聚合物材料具有优异的导电性，成本低，稳定的化学性质以及其他材料所没有的可调整的多孔结构的特征。低成本和可用性，已经在开发替代清洁和可持续能源技术方面成为最主要的考虑因素了[6，7]。 另一方面，它们的储能机制（双电层）限制了它们的能量密度。 因此，通过掺入导电聚合物或金属氧化物等具有高氧化还原性的材料[8]，研究发现可以提高这些碳材料电化学性能。为了获得更多的功能复合材料，杂多酸嵌入有序结构成为了一个新的研究方向。

磷钼酸（PMo12）是典型的酮杂多酸分子。在以前的研究中，碳纳米管被用作基体来制备掺杂磷钼酸的碳纳米管（PMA @ CNT）的复合材料。通过类似于傅立叶变换红外（FTIR），XRD， TEM和电化学测试来测试电容性能。 结果表明：在一定量的硫酸电解液中，复合材料的最大比容量为511.7 F / g，多次循环后比容量没有任何衰减。 以上研究结果说明磷钼酸对于碳聚合物的电容性有比较明显的提升作用， 由此联想到把磷钼酸作为进一步提升碳/聚苯胺的电容特性催化剂， 为将来超级电容器的选材提供参考。

1.2 研究相关背景

1.2.1 国外相关研究回顾

PabloPalominoa[9]在2015年开始对杂化碳磷钼酸的质地对其在超级电容器中作为电极的性能的影响研究， 分析了酸 H3 PMo12 O40（ PMo12）作为超级电容器中的电极的催化溶液的关系。

在电化学测试中，显示了在两电极对称电池中的电极的充电-放电和循环伏安曲线， 在图3和4中充电-放电曲线对于浸渍碳的线性表现出的偏差， 随着碳载体中 PMo12含量的增加，曲线的偏差变得更大。 除了这种赝电容[10]的增加之外，还注意到放电曲线的斜率在减小0.3 V时，PMo12量就越高。 例如，在图 S2 a中， 未浸渍的碳 C250-0- PMo12-0和浸渍的 C250-0- PMo12-2的放电曲线在1和0.3 V之间会聚， 几乎相交，而从0.3 V到0 V是发散的。 在浸渍样品中，表征理想电容器行为呈现矩形形状的扭曲 [11]，法拉第峰的存在与充放电曲线（0-0.3 V）处于相同的电位范围内。 并且根据聚肟酸酯吸收量的不同而有所不同。 图6根据充放电数据收集到了不同电极的电容数据[12]，显示了与原始碳材料相比所有混合电极的电容保持率与电流密度。

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