可快速充放电聚吡咯_碳纳米管复合材料电化学聚合与表征
碳纳米管的特性及其高性能的复合材料综述
碳纳米管的特性及其高性能的复合材料综述摘要作为一种具有较强力学性能的材料，碳纳米管自诞生以来就受到了广泛关注，并且从以往的实践经验上来看，碳纳米管是非常理想的制备符合材料的形式。
在本文的研究当中，主要立足于这一领域进行分析，提出了碳纳米管本身所具备的特性，以及这种材料在实践过程当中的优越性，进而提出应用策略，希望能够在一定程度上起到借鉴作用。
关键词碳纳米管；复合材料；复合镀迄今为止，碳纳米管材料已经在诸多领域当中得以运用，并且取得了比较显著的成果，其中包括电极材料、符合材料、催化剂载体等诸多方面。
在应用过程当中，碳纳米管的优异性能能够使其在符合材料当中起到较强的作用。
本文研究的侧重点在于碳纳米管的制备和复合材料的应用方面，提出了碳纳米管的特性及其高性能的复合材料。
1 碳纳米管的结构及其性能从结构上来看，碳纳米管具有石墨层状的结构，其中包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
组成纳米碳管的C-C共价键是自然界当中具有稳定特征的化学键，无论在理论计算还是实践当中，都能够看出来，碳纳米管具有非常强的韧性。
在制备过程当中，碳纳米管主要涉及的电弧放电、催化热解和激光蒸发等。
具体来讲，在电弧放电当中，主要制备单壁碳纳米管，但是其中具有一定的弊端，比如产率非常低，但是成本却很高；而催化热解法当中所表现出来的是设备简单和生长速度较快等特点，一般在现代工程的批量化生产过程当中，会用到这种方法。
在当前应用领域，高强度的微米级碳纤维复合材料有着非常广阔的应用前景和较好的应用效果。
但是当前我国在这一领域所取得的进展依旧比较滞后，要想在强度上取得新的突破，必须要有效减少碳纤维的直径，提高纵横比。
碳纳米管是比较典型的纳米材料，纵横比非常可观。
更为重要的是，从长度上来讲，纳米管对于复合材料的加工性能并没有非常明显的不良影响，使用这一材料能够有效聚合复合材料，改变传统加工当中的一些问题，增强复合材料的导电性能。
再加上纳米管当中所具备的结构优势，使得聚合物电导率提升的同时也不容易被改变性能[1]。
化学氧化聚合法制备聚吡咯及其应用研究
结论
结论
本次演示对化学氧化聚合法制备聚吡咯及其应用进行了详细的综述。化学氧 化聚合法作为一种常用的制备方法，可以获得具有良好导电性能和化学稳定性的 聚吡咯。通过对聚合条件的优化，可以进一步提高产物的性能和稳定性。聚吡咯 在电化学、光电化学、传感器、生物医学等领域得到广泛应用，展示了良好的应 用前景。然而，目前聚吡咯的应用仍存在一定的局限性，如高温稳定性、抗氧化 性能和生物相容性等方面还有待进一步提高。
内容摘要
本次演示主要探讨了通过化学氧化法合成聚吡咯复合材料的方法，以及这种 材料作为锂二次电池正极的应用。首先，我们选择了具有高容量、良好电子导电 性的过渡金属氧化物（如MnO2、NiO等）作为复合材料的主要成分。然后，通过 控制氧化剂（如KMnO4、NaNO2等）的用量和反应条件，我们成功地制备出了均匀 分散的PPy/过渡金属氧化物复合材料。
材料与方法
Байду номын сангаас
材料与方法
本实验选用单体吡咯、引发剂过硫酸钾、交联剂乙二胺和模板剂聚乙烯吡咯 烷酮，采用模板法制备聚吡咯及其复合材料。实验过程中，通过调整单体浓度、 引发剂浓度、交联剂浓度和模板剂浓度等条件因素，制备出多种聚吡咯及其复合 材料样品。样品的性能通过万能材料试验机、电化学工作站和热重分析仪等设备 进行测试。
内容摘要
接下来，我们对这种复合材料的电化学性能进行了详细的表征。结果发现， 与纯PPy相比，PPy/过渡金属氧化物复合材料表现出更高的容量、更好的循环稳 定性和更优的倍率性能。这主要归因于过渡金属氧化物的高容量、良好的电子导 电性和PPy的优良导电性和环境稳定性。此外，我们还发现，通过调整过渡金属 氧化物的种类和含量，可以实现对电池性能的精细调控，以满足不同的应用需求。
聚吡咯的表征方法-概述说明以及解释
聚吡咯的表征方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述聚吡咯是一种重要的有机聚合物，具有多种独特的化学和物理性质，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
为了深入了解和研究聚吡咯的特性和性能，需要使用各种表征方法对其进行分析和测试。
聚吡咯的表征方法主要包括物理性质测试、化学结构分析和合成方法验证等方面。
在物理性质测试方面，可以通过测量聚吡咯的电导率、热稳定性、光学性质等来评估其性能。
同时，聚吡咯的表面形貌和形态结构也可以通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等显微镜技术进行观察和分析。
化学结构分析是确定聚吡咯分子组成和结构的重要手段。
常用的方法包括核磁共振（NMR）和红外光谱（IR）等技术。
通过NMR技术可以确定聚吡咯分子中的官能团和基团的类型，从而了解其化学结构。
而红外光谱则可以提供聚吡咯的分子振动信息，帮助确定其分子链的构建。
此外，在聚吡咯的合成方法验证方面，需要使用一系列反应条件和催化剂来合成聚吡咯，并通过核磁共振、红外光谱等方法对其结构进行验证。
常用的合成方法包括电化学合成、化学氧化聚合和光化学反应等。
总之，聚吡咯的表征方法是对其特性和性能进行研究和分析的重要手段。
通过物理性质测试、化学结构分析和合成方法验证等方面的工作，可以更好地理解聚吡咯的性质，为其在材料科学、电化学和光电子学等领域的应用提供科学依据。
文章结构是指文章的组织框架，它包括了引言、正文和结论三个部分。
在这篇文章中，我们将按照以下结构进行写作：1. 引言1.1 概述在本节中，我们将简要介绍聚吡咯的背景和研究意义，以便读者了解这个主题的重要性。
1.2 文章结构本节将详细介绍文章的结构安排，以帮助读者更好地理解文章的内容和组织方式。
1.3 目的在本节中，我们将明确本篇文章的目的和研究方向，以便读者清楚地了解我们想要传达的信息和观点。
2. 正文2.1 聚吡咯的化学结构在本节中，我们将详细描述聚吡咯的化学结构，包括它的组成、性质等方面的内容，以便读者全面了解聚吡咯分子的基本特征。
导电聚吡咯的研究
导电聚吡咯的研究一、本文概述导电聚吡咯作为一种新兴的导电高分子材料，近年来在电子器件、传感器、电池以及抗静电涂层等领域展现出了广阔的应用前景。
本文旨在全面综述导电聚吡咯的研究现状和发展趋势，深入探讨其合成方法、导电机理、性能优化及其在各个领域的应用。
文章将首先概述导电聚吡咯的基本性质，包括其分子结构、导电性能以及稳定性等。
随后，将详细介绍导电聚吡咯的合成方法，包括化学氧化法、电化学聚合法等，并分析各种方法的优缺点。
接着，文章将深入探讨导电聚吡咯的导电机理，包括电子传输机制、载流子浓度等因素对导电性能的影响。
还将讨论如何通过改性、掺杂等方法优化导电聚吡咯的性能，以满足不同应用领域的需求。
文章将展望导电聚吡咯在未来的发展趋势，尤其是在新能源、智能材料等领域的应用前景。
二、聚吡咯的合成方法聚吡咯（Polypyrrole，PPy）是一种具有优异导电性能的共轭高分子，其合成方法多种多样。
根据聚合条件和引发剂的不同，聚吡咯的合成可以分为化学氧化法、电化学聚合法和模板法等几种。
化学氧化法是一种最常用的合成聚吡咯的方法，该方法通常以吡咯单体和氧化剂为原料，在适当的溶剂和温度下进行反应。
常用的氧化剂有过硫酸铵、氯化铁、过氧化氢等。
在反应过程中，氧化剂将吡咯单体氧化成阳离子自由基，然后这些自由基之间发生偶合反应，形成聚吡咯链。
化学氧化法简单易行，产物产量大，但得到的聚吡咯通常导电性能相对较低，且不易控制聚合度。
电化学聚合法是一种在电极表面直接合成聚吡咯的方法。
该方法通常在含有吡咯单体的电解质溶液中进行，通过恒电位、恒电流或循环伏安等电化学手段引发吡咯单体的聚合。
电化学聚合法得到的聚吡咯具有高度的结晶度和规整的链结构，因此其导电性能通常优于化学氧化法合成的聚吡咯。
电化学聚合法还可以通过改变电位、电流等参数来调控聚吡咯的形貌和性能。
模板法是一种利用模板剂的限域作用来合成具有特定形貌和结构的聚吡咯的方法。
该方法通常需要先制备一种具有纳米孔道或纳米空腔的模板剂，然后将吡咯单体引入模板剂中，再通过化学氧化或电化学聚合等方法在模板剂内部合成聚吡咯。
聚吡咯与碳纳米管
聚吡咯与碳纳米管聚吡咯是一种重要的有机高分子材料，具有一系列的特殊性质，如优异的导电性、导热性、光学性能、机械强度和化学稳定性等。
因此，它在能源转换、传感器、电子器件、生物医学和光电子学等领域具有广泛的应用前景。
与聚吡咯类似的是碳纳米管，是由碳原子组成的一种管状结构，具有优异的力学性质和导电导热性能，也是研究的热点之一。
本文将探讨聚吡咯与碳纳米管的相关性质和应用。
聚吡咯与碳纳米管的导电性聚吡咯是一种半导体材料，在室温下具有弱的导电性，但可以通过掺杂方法使其具有金属的导电性能。
聚吡咯的导电机制是电荷转移复合，其导电性能受到掺杂剂浓度、类型、温度和空气中湿度等因素的影响。
与此相似，碳纳米管也具有优异的导电性能，是一种理想的导电材料。
碳纳米管的导电性与其结构和尺寸等因素有关，单壁碳纳米管的导电性能比多壁碳纳米管更好，电子在单壁碳纳米管中的运动更加自由，因此在电子器件中的应用更加广泛。
聚吡咯与碳纳米管的导热性聚吡咯的导热性与导电性相似，也可以通过掺杂方法提高其导热性能，其导热机制是热载流子传输。
与此相似，碳纳米管的导热性也非常突出，其导热性能可以比较好地解释为声子热传导。
由于碳纳米管具有较小的直径、高的长度-直径比和晶格有序性，因此具有非常优异的导热性能。
聚吡咯与碳纳米管的光学性质聚吡咯能够吸收紫外线和可见光，具有优异的光学吸收和散射性能，在光传感器和太阳能电池等方面有着广泛的应用。
与此相似，碳纳米管的光學性能也是其它材料所不能比拟的。
由于碳纳米管具有独特的结构和电子能带结构，因此碳纳米管可以发射和吸收光的能力相当强。
因此在生物医学、光学电子学和信息技术等领域中被广泛应用。
聚吡咯与碳纳米管的应用聚吡咯和碳纳米管具有优异的电学、光学和力学性能，因此在多个领域中具有广泛的应用前景。
在催化剂方面，聚吡咯和碳纳米管都可以用作高性能催化剂的载体；在生物医学方面，聚吡咯可以用作药物的载体，碳纳米管可以用作生物传感器和药物递送系统；在传感器方面，聚吡咯和碳纳米管都可以用作多种传感器的敏感材料。
碳纳米管的制备和表征研究
碳纳米管的制备和表征研究碳纳米管是一种非常重要的纳米材料，由于其具有优异的物理和化学性质，能够广泛应用于电子、化学、生物和医学等领域，成为了当今最热门的研究课题之一。
本文将介绍碳纳米管的制备和表征研究，旨在尽可能全面深入地介绍它的相关研究进展。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要有以下几种：1. 等离子体增强化学气相沉积法该方法先用金属作为催化剂，在氧化镁或氧化铝的载体上制备成催化剂阵列，通过引入碳源和氢气，使用等离子体的方式来生成碳纳米管。
2. 化学气相沉积法该方法将催化剂和碳源同时放置在反应器内，不用外加能量，通过化学反应来制备碳纳米管。
3. 化学还原-热解法该方法先用催化剂将氧化石墨烯还原为石墨烯，然后利用热解技术进行碳化反应，制备碳纳米管。
以上三种方法是主流的制备碳纳米管的方法，但随着研究的深入，其它方法，如水热合成法、溶液-液相界面法等也逐渐被应用于制备碳纳米管。
二、碳纳米管表征技术为了对制备的碳纳米管进行表征和刻画，研究人员开发出了各种表征技术来研究其结构和性质，下面我们来介绍一些常用的表征技术：1. 透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜是最常用的碳纳米管表征技术之一，通过它可以直观的获得碳纳米管的观察图像。
2. 扫描电子显微镜(SEM)与TEM不同，扫描电子显微镜可以观察到碳纳米管的表面形貌，并能够获得表面形貌的三维结构图像。
3. 拉曼光谱(Raman)拉曼光谱具有非常高的灵敏性和分辨率，能够通过对碳纳米管的拉曼光谱图像进行功率谱分析，可以获得碳纳米管的结构、相互作用和物理特性等信息。
4. X射线粉末衍射(XRD)利用X射线的衍射实验，可以得到碳纳米管的晶格结构，晶格常数以及结晶度等信息。
5. 热重分析(TGA)热重分析可以帮助我们展现出材料在温度变化下的失重信息，从而推断出碳纳米管的热稳定性和热分解温度等相关信息。
以上技术对于制备和表征碳纳米管都有非常大的帮助，不同的表征方法可以从不同角度来对碳纳米管进行综合分析，有助于我们更好地了解碳纳米管的结构和性质。
聚吡咯及其复合物的制备和电化学性能研究
聚吡咯及其复合物的制备和电化学性能研究聚吡咯及其复合物的制备和电化学性能研究摘要：聚吡咯是一种具有优良导电性和电储能性能的聚合物材料，广泛应用于电化学传感器、储能器件和光电器件等领域。
本文从聚吡咯的制备方法、掺杂剂选择以及复合物的电化学性能研究等方面进行了详细阐述。
实验结果表明，通过不同的制备方法和掺杂剂的选择可以调控聚吡咯的电化学性能，进而提高其在电子器件中的应用效果。
关键词：聚吡咯；制备方法；掺杂剂；电化学性能；复合物1.引言聚吡咯是一种具有较好导电性能的聚合物材料，因其在电子器件领域具有广泛的应用前景。
聚吡咯可以通过不同的制备方法合成，如化学氧化法、电化学氧化法和生物合成法等。
同时，为了改善聚吡咯的导电性能和稳定性，研究者们通常采用掺杂剂的方式进行改性。
而聚吡咯与其他材料的复合能够进一步提高其电化学性能，使其在储能器件、传感器和光电器件等领域发挥更好的作用。
因此，研究聚吡咯及其复合物的制备方法和电化学性能对于拓宽其应用领域具有重要的意义。
2.制备方法2.1 化学氧化法化学氧化法是一种常用的制备聚吡咯材料的方法。
该方法主要通过单体在氧化剂的作用下进行聚合反应，生成聚吡咯。
一般常用的氧化剂有过氧化铵、过氧化氢等。
该方法制备的聚吡咯具有较高的导电性能和化学稳定性。
2.2 电化学氧化法电化学氧化法是一种在电解液中进行聚合反应的方法。
通过在电解液中施加电位，使单体氧化并聚合成聚吡咯。
与化学氧化法相比，电化学氧化法具有制备过程可控性好、结构均匀性高等优点，但需考虑电解液的选择和电解液中溶质的多少等因素。
2.3 生物合成法近年来，生物合成法作为一种新兴的制备聚吡咯的方法受到了研究者们的关注。
利用微生物、酶或植物等生物体进行聚吡咯的合成，不仅具有环境友好性，还可以制备出具有较好导电性的聚吡咯材料。
3.掺杂剂选择为了改善聚吡咯的导电性能和稳定性，研究者们通常采用掺杂剂的方式进行改性。
常用的掺杂剂有阴离子型和阳离子型两种。
超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究
超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究1. 本文概述随着现代科技的发展，能源存储技术正面临着前所未有的挑战和机遇。
超级电容器作为一种重要的能源存储设备，因其高功率密度、快速充放电能力、长寿命周期和环境友好性而受到广泛关注。
在超级电容器的构造中，复合电极材料的研发尤为关键，其直接决定了超级电容器的电化学性能和整体效能。
本文旨在探讨超级电容器复合电极材料的制备方法及其电化学性能。
本文将对目前广泛研究的几种复合电极材料，如碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，进行系统的综述。
这些材料在超级电容器中的应用优势和面临的挑战将被详细讨论。
接着，本文将重点介绍几种创新的复合电极材料制备技术，包括化学气相沉积、水热合成、溶胶凝胶法等。
这些方法在制备过程中对材料结构和形貌的控制，以及对电化学性能的影响将被深入分析。
本文将通过实验数据，评估所制备的复合电极材料在超级电容器中的实际应用性能，包括比电容、能量密度、循环稳定性等关键指标。
通过这些研究，本文旨在为超级电容器复合电极材料的发展提供新的视角和技术路径，推动能源存储技术的进步。
2. 文献综述超级电容器，也称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的能量存储设备。
它们的主要特点是具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电能力。
超级电容器的储能机制主要是双电层电容，涉及电极材料与电解质之间的电荷分离。
这一领域的研究起始于20世纪50年代，随着材料科学和电化学技术的进步，超级电容器在能量存储领域的重要性日益凸显。
超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料的性质。
近年来，研究者们广泛关注复合电极材料，因其能够结合不同材料的优点，从而提高超级电容器的整体性能。
常见的复合电极材料包括碳基材料、金属氧化物、导电聚合物等。
这些材料通过不同的复合策略（如物理混合、化学接枝、层层自组装等）进行组合，旨在提高比电容、能量密度和循环稳定性。
电化学性能是评估超级电容器电极材料的关键指标。
聚吡咯的合成及其电学性能
聚吡咯的合成及其电学性能付长璟;李爽;赵伟玲;张佳【摘要】为了改善和提高聚吡咯的溶解性和导电性能,利用化学氧化聚合法设计实验,制备聚吡咯.采用木质素磺酸钠、十二烷基磺酸钠和对甲苯磺酸三种掺杂剂,通过改变掺杂剂的种类、掺杂剂的掺杂量、氧化剂的掺杂量、氧化反应时间、氧化温度等反应参数来优化聚吡咯的制备工艺.采用XRD、FTIR、SEM和四探针电导率测试仪等对产物的组成、结构和导电性能进行表征.结果表明：三种掺杂剂均可以成功制备聚吡咯,有效地改善聚吡咯的水溶性能,其中木质素磺酸钠掺杂的聚吡咯性能最佳,当木质素磺酸钠取0.002 mol、n（Py）∶n（FeCl3·6H2O）=1∶1.2、反应在0℃下进行16 h时,电导率最高能达到0.818 S/cm.【期刊名称】《黑龙江科技大学学报》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P612-616)【关键词】聚吡咯;合成;掺杂;导电性【作者】付长璟;李爽;赵伟玲;张佳【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】O632.6自从导电聚合物被发现以来，因为其优异的电学性能、光学性能和机械性能而备受瞩目。
导电聚合物具有半导体的特性，在传感器、电致变色技术、电子器件、二次电池上前景看好。
其中聚吡咯具有易制备、生物相容性好、环境无毒性、防腐性能强、良好的空气稳定性、可逆的氧化还原性、较高的导电性和磁性等特点［1一5］，受到研究者们的关注。
由于导电高分子本身分子的刚性链和链间的相互作用较强，所以聚吡咯又具有不溶于有机溶剂、难熔融、难加工等不足，因此，它在应用领域受到一定的限制。
研究发现，聚吡咯通过掺杂剂掺杂或者取代等修饰的方式可以在一定程度上改善它的性能，但是会使其电导率有一定的下降［6一10］。
在以往的研究中，G.Zotti制备了1一、3一、4一全被取代的吡咯衍生聚合物，其电导率为1×10一3S/cm，可以很好地溶于有机溶剂。
Chang Enchung等［11］将磺酸基作为掺杂剂，与吡咯单体共聚，制备电导率为5.5×10一6S/cm 的水溶性聚吡咯。
聚吡咯—氧化锰复合材料研究进展
聚吡咯—氧化锰复合材料研究进展作者：龙光军来源：《中国化工贸易·中旬刊》2018年第06期摘要：本文综述了聚吡咯-氧化锰复合材料电化学沉积法、化学原位聚合法等制备方法及其在超级电容器中的研究进展，分别例举了各种方法的优缺点和如何改善，展望聚吡咯-氧化锰复合电极材料在将来的发展与应用。
关键词：超级电容器；二氧化锰；聚吡咯0 引言伴随着科学技术的发展各种仪器和设施得到了进一步的升级和改进，对能源的要求也越来越高，传统能源逐渐难以满足新领域的能源需求。
超级电容器是一种应用广泛具有前景的储能设备，具有电容量大功率高充放电快稳定性好无污染等优点，被广泛运用于汽车、通讯、军事、航天、电子、医学设备等诸多领域。
电极是超级电容器的重要组成部分，主要分为炭电极、金属氧化物电极、聚合物电极或是他们的复合物组成。
MnO2具有储量大、廉价、比表面积大、可逆性好、电化学性能稳定、环境友好型等优点，其理论比电容可高达1370F/g，但是MnO2导电性差且难溶解，导致其实际比电容与理论值相差甚远[1]。
通过电化学、化学等复合的方法可将氧化锰与具有高导电性、高比表面积、电化学性质稳定、制备简便、易于与其他物质复合等优点的PPy制成PPy-MnO2复合材料。
通过循环伏安法、恒流充放电、交流阻抗测试其电化学性能，并用X射线衍射、红外光谱、扫描电子显微镜对复合材料的结构和形貌进行测试[2]。
1 聚吡咯-氧化锰的复合PPy具有制备工艺简单、比电容高、电导率可控、稳定无污染、且易于与其他材料复合等优点，但其充放电时分子链容易收缩或膨胀使链状结构破坏，极大的限制他的使用寿命和载电荷能力，通过结合MnO2的比表面积大、可逆性高、电化学性能稳定等性能，可制得性能更加优越的复合材料。
目前制备PPy-MnO2复合材料的方法主要有电化学沉积法和化学原位聚合法。
1.1 电化学沉积法电化学沉积法是指在含聚合物单体的溶液中，采用恒电流、恒电位、循环伏安法等使吡咯单体和掺杂物在阳极发生聚合，沉积在电极表面生成聚合物粉末或薄膜。
聚吡咯／木单板导电复合材料的制备与表征
２３２ 表 面 电阻率 的测试 ．． 磁 屏蔽涂料通 用规范》中的屏 蔽涂 层的表面 电阻率测量 方 法 ， 自行 设计 了测量方 法 。采用 的仪器 为 Ｙ ５ １ Ｄ２ １Ａ 型智 能直流低 电阻测试 仪 ， 量程 为 １ ０ Ｑ。由于木 ０ ～１。 材 的异 向性 ， 纹方 向和顺纹 方 向电阻差异较 大 ，因此 横 在每个试 件的 正反 两面分别随机取 ４ 测试位置 ， 个 在每
液 中进行原位聚合 反应 ， 木单板表面 复合上黑色 的聚 吡 咯 ，反 应一 定 时间后 取 出用蒸馏 水 冲洗并 浸泡 一段 时 间 ，最后取 出压平 、晾干 ，待完全干 燥后测其表 面电阻 并计算 表面 电阻率 。
２３ 测 试 与 表 征 ．
２３１ 吸聚率计算 ．．
１ 引 言
吸聚率是指吡 咯吸附聚合后 形成的掺 杂态 Ｐ ｙ与 Ｐ 木单板 的质 量百分 比，采 用下式计算 ：
Ｓ ： 二 ×１ ０ ０
的质量 ，ｇ ：
式 中： 为吸聚 率 ，％； 为 Ｐ ｙ木单板 复合材料 Ｐ／ 为木单板 的质 量，ｇ 。
表面 电阻测定参 照国家军用标 准 Ｇ Ｂ ９ 军用 电 Ｊ 一６《
具有与金属相当的导 电性 以来 ，这一重大 发现 使得导电 高分子材料成为研 究热点 。导 电聚吡 咯（ ｌ ｙｒｌ，简 ｐ ｙ ｒ ｅ ｏ ｐ ｏ 称 ， 是一种典型的导 电高分子， ｙ ） 具有 导电率 高、 毒、 无 环境稳定性好 、易于掺 杂及特殊 的光 、电、声等特性［， ２ 】 在许 多方 面显示 出诱人 的应 用前景 ，如制造塑料二 次电 池 、电子器件 、特种涂料 、电磁 屏蔽材 料及光 电化学 电 池等【。导电聚吡 咯的制备方法 主要有 电化 学聚合和化 ３ 】 学聚合 。其 中化学聚合法 既适用 于导 电性基底 ，也适用
碳纳米管二硫化钒复合材料的制备及其电化学性能研究
环结束后处理并分析蓝电测试系统上获得的数据从而进一步获得充放电比容量、库伦效率以及充放电曲线等一系列电化学数据与图表，接着对上述获得的数据和图表进行分析就能够知道测试电池的性能。
第二部分是电池的倍率性能测试：在不同电流密度（电流密度从小到大最后再直接从最大电流回到最小电流）下对测试电池完成几次（每个电流密度下测试5次）循环测试过程，由此获得倍率性能。
2.3电化学阻抗谱测试采用的方法为给接受测试的电池加上一个不同频率的小振幅交流信号，通过这个方法测得了交流信号电压和电流之间的比值（这个比值即为系统的阻抗）如何受正弦波频率ω的影响而变化。
四、结果与讨论1.结构形貌分析如图2所示为CNT/VS2的场发射扫描电子显微镜图像，图a和图b分别为低倍数场发射扫描电镜图和高倍数场发射扫描电镜图。
从图a可以看出，碳纳米管互相络合形成的网络结构宏观上包覆着二硫化钒的分层纳米片结构。
图b为单层二硫化钒纳米片上包覆的碳纳米管，我们能够清晰的看出碳纳米管的管状结构，直径大小为10nm左右。
综上，我们制备的为既含有碳纳米管也含有二硫化钒的复合材料。
碳纳米管形成的网络结构起到了支撑作用，能够有效缓解体积膨胀效应，同时可以提供更多反应位点，二硫化钒提供容量。
碳纳米管和二硫化钒的合理复合是提升电化学性能的重要图2 CNT/VS2的场发射扫描电子显微镜图像图3CNT/VS2的元素映射谱图以及能量色散谱仪(EDS)谱图为了研究CNT/VS2的元素组成以及元素分布，将其进行SEM的元素映射谱图以及能量色散谱仪(EDS)谱图分析。
得到的对应的图像以及谱图如图3所示。
从对应的元素映射图谱来观察，能够清晰的看到，在CNT/VS2之中存在的C、O、S、V四种元素的分布方式是均匀的，我们将四种对应的元素依次用暗绿、暗红、暗蓝、暗黄来标示，因此能够说明二硫化钒与碳纳米管复合得较均匀。
从EDS图谱之中，我们也能够同时看出有C、O、S、V四种元素存在并且其在图中的分布方式也是均匀的，这也说明了制备出来的CNT/VS2这一种复合材料各部分的组成是一致的。
碳纳米管聚合物复合材料的导电机理及其性能研究
碳纳米管聚合物复合材料的导电机理及其性能研究碳纳米管（CNT）聚合物复合材料是一种由碳纳米管与聚合物基体相互作用形成的新型材料。
在这种复合材料中，CNT作为导电填料，可通过其独特的电子输运机制提供高导电性能。
在本文中，我们将探讨碳纳米管聚合物复合材料的导电机理及其性能研究。
首先，我们来了解碳纳米管的电子输运机制。
碳纳米管是碳原子形成的管状结构，具有特殊的晶格结构。
这种结构使得电子在碳纳米管中以“量子通道”的形式传输，即只有在特定的能级上电子才能通过。
这种量子限制使得碳纳米管具有优异的导电性能，远远超过传统材料。
其次，我们将讨论碳纳米管与聚合物基体的相互作用。
碳纳米管的高表面积和独特的晶格结构使其能够与聚合物基体形成强力的相互作用。
这包括物理吸附、化学键和静电作用等。
通过这种相互作用，碳纳米管可以均匀分散在聚合物基体中，形成三维导电网络。
在导电机理方面，碳纳米管通过两种方式提供导电性能。
首先，碳纳米管通过与聚合物基体形成的连续网状结构，在复合材料中形成一个导电通道。
这种导电通道可以提供高导电性能，使得复合材料具有良好的导电性能。
其次，碳纳米管还可以通过在体积分数很低的情况下形成的电子传输途径来提供导电性能。
这是由于碳纳米管的高导电性能和导电路径的短距离等特点，使得电子能够快速地从碳纳米管中传输，从而形成良好的导电性能。
在性能研究方面，研究人员着重于探索不同形态的碳纳米管聚合物复合材料，并对其导电性能进行评估。
研究表明，碳纳米管的形态和含量对复合材料的导电性能有重要影响。
例如，采用短碳纳米管可以增加导电性能，因为短碳纳米管可以更好地分散在聚合物基体中，并形成更多的导电通道。
此外，通过控制碳纳米管的含量，可以调控导电性能，具有很大的灵活性。
总之，碳纳米管聚合物复合材料具有良好的导电性能，其导电机理与碳纳米管的特殊结构和与聚合物基体的相互作用密切相关。
通过对碳纳米管的形态和含量进行调控，可以进一步优化复合材料的导电性能。
超级电容器炭电极材料的研究
超级电容器炭电极材料的研究一、本文概述随着全球能源需求的持续增长以及环境问题的日益严重，高效、环保的能源存储技术成为了科学研究的热点。
超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其高功率密度、快速充放电性能以及长循环寿命等优点，在电动汽车、智能电网、便携式电子设备等领域具有广泛的应用前景。
炭电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接决定了超级电容器的电化学性能。
因此，研究高性能的炭电极材料对于推动超级电容器技术的发展具有重要意义。
本文旨在探讨超级电容器炭电极材料的研究现状、发展趋势以及未来挑战。
我们将对超级电容器的基本原理和炭电极材料的分类进行简要介绍。
随后，重点分析不同类型炭电极材料的制备工艺、结构特征以及电化学性能，并对比其优缺点。
我们还将讨论炭电极材料在超级电容器应用中的实际问题，如循环稳定性、能量密度和功率密度等。
结合当前的研究热点和技术难点，展望超级电容器炭电极材料未来的发展方向，以期为相关领域的研究提供有益的参考和启示。
二、超级电容器炭电极材料概述超级电容器，作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命以及宽广的工作温度范围等优点，受到了广泛的关注和研究。
而炭材料，因其优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性以及低廉的成本，成为了超级电容器电极材料的理想选择。
炭电极材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
活性炭是最早被用于超级电容器的炭材料，其具有高比表面积和良好的孔结构，可以提供大量的电荷存储位置。
碳纳米管因其独特的一维结构和优异的电子传输性能，成为了超级电容器电极材料的研究热点。
石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，因其超高的比表面积、良好的导电性和化学稳定性，被认为是超级电容器炭电极材料的未来之星。
在超级电容器炭电极材料的研究中，如何提高其比表面积、优化孔结构、改善导电性能以及提高电化学稳定性是研究的重点。
通过物理或化学活化方法，可以增大活性炭的比表面积并改善其孔结构，从而提高其电荷存储能力。
超级电容器电极材料
超级电容器电极材料超级电容器是一种储能装置，它具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快速充放电等优点，因此在电子产品、新能源汽车、医疗设备等领域具有广泛的应用前景。
而超级电容器的性能很大程度上取决于电极材料的选择和设计。
本文将重点介绍超级电容器电极材料的研究进展和应用前景。
目前，超级电容器的电极材料主要包括活性碳、金属氧化物和导电聚合物等。
活性碳是一种常用的电极材料，具有较高的比表面积和良好的孔隙结构，能够提供丰富的储能空间。
金属氧化物电极材料具有较高的比电容和良好的电化学稳定性，如氧化铁、氧化钼等。
而导电聚合物电极材料具有良好的导电性和柔韧性，如聚咔唑、聚吡咯等。
这些电极材料各具特点，可以根据超级电容器的具体应用需求进行选择和设计。
近年来，石墨烯作为一种新型碳基材料，受到了广泛关注。
石墨烯具有高导电性、高比表面积和优良的机械性能，被认为是一种理想的超级电容器电极材料。
研究表明，采用石墨烯作为超级电容器电极材料，可以显著提高电容器的能量密度和功率密度，同时具有良好的循环寿命和快速充放电特性。
因此，石墨烯在超级电容器领域具有巨大的应用潜力。
除了石墨烯，碳纳米管也是一种备受关注的电极材料。
碳纳米管具有优异的导电性和机械性能，能够有效提高超级电容器的电化学性能。
研究表明，将碳纳米管与其他电极材料复合使用，可以显著提高超级电容器的性能，如提高比电容、降低内阻等。
因此，碳纳米管在超级电容器电极材料中也具有重要的应用前景。
此外，金属有机骨架材料（MOFs）和碳化硅等新型材料也被广泛研究用于超级电容器电极材料。
MOFs具有高孔隙度和可调控的结构，能够提供丰富的储能空间和优异的电化学性能。
碳化硅具有优异的导电性和化学稳定性，能够有效提高超级电容器的性能。
因此，这些新型材料在超级电容器领域也具有广阔的应用前景。
总的来说，超级电容器的性能取决于电极材料的选择和设计。
目前，石墨烯、碳纳米管、MOFs和碳化硅等新型材料被广泛研究用于超级电容器电极材料，能够显著提高超级电容器的能量密度、功率密度和循环寿命，具有广阔的应用前景。
功能性碳纳米管在食品与生物医学领域的应用研究进展
功能性碳纳米管在食品与生物医学领域的应用研究进展屈凌波;平亚红;李璐珩;牛亚锟;肖咏梅;杨硕晔【摘要】碳纳米管是一种新型纳米材料,因具有性能稳定、易被修饰和可进入细胞等特性,被广泛应用于食品与生物医学领域.研究表明,原始碳纳米管分散性较差,并且具有一定的毒性,对其进行功能化修饰可以改善其在溶液中的分散性.此外,随着研究的深入,碳纳米管的生物相容问题也日益受到关注.简要叙述了碳纳米管的基本结构和性能,着重强调了其在食品(如农兽药残留检测、食品添加剂检测、微生物检测、转基因食品检测等)与生物医学(如生物传感器、药物转运载体、肿瘤治疗、生物成像、生物支架等)领域的应用研究进展,并对所存在的生物相容问题进行了探讨,提出了解决的可能途径.最后,展望了碳纳米管在食品与生物医学领域的发展趋势.【期刊名称】《河南工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】7页(P113-119)【关键词】碳纳米管;食品;生物医学;功能化修饰;生物相容性【作者】屈凌波;平亚红;李璐珩;牛亚锟;肖咏梅;杨硕晔【作者单位】河南工业大学生物工程学院,河南郑州450001;郑州大学,河南郑州450001;河南工业大学生物工程学院,河南郑州450001;河南工业大学生物工程学院,河南郑州450001;河南工业大学生物工程学院,河南郑州450001;河南工业大学化学化工与环境学院,河南郑州450001;河南工业大学生物工程学院,河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TS2010 引言纳米科技的不断发展和应用，将对能源、材料、食品及生物医学领域产生积极的促进作用。
碳纳米材料的主要代表碳纳米管在食品与生物医学中的应用是目前研究的热点，但由于其特殊的结构和性能，在一定程度上影响生物体对其摄取，因此可能产生的生物学效应与生物相容问题也逐渐受到重视。
1 碳纳米管的基本结构和性能1991年，日本NEC实验室的Sumio Iijima首次发现了碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs），它可以视为由石墨烯片层围绕中心轴按照一定的螺旋角度卷曲而形成的无缝、中空圆柱体，在形成过程中可能会造成多种螺旋形和手性[1]。
聚吡咯导电薄膜的电化学制备及其性质的研究
聚吡咯导电薄膜的电化学制备、表征及其电化学特性测试（马元贵，王淞城，武汉，430074）摘要聚吡咯可用于生物、离子检测、超电容及防静电材料及光电化学电池的修饰电极、蓄电池的电极材料。
此外，还可以作为电磁屏蔽材料和气体分离膜材料，用于电解电容、电催化、导电聚合物复合材料等，应用范围很广。
聚吡咯可由吡咯单体通过化学氧化法或者电化学方法制得， PPy具有较高的电导率、环境稳定性好、可逆的电化学氧化还原特性以及较强的电荷贮存能力，是一种理想的聚合物二次电池的电极材料.用红外光谱对制备的PPy膜进行表征，并用循环伏安法研究其电化学特性。
关键词聚吡咯（PPy）,电导率，红外光谱，电化学特性前言1979年,美国IBM公司的Diaz等在乙腈电解液中铂电极上电化学氧化聚合制备出电导率高达100SΠcm的导电聚吡咯(PPy)膜[1], PPy具有空气稳定性好、易于电化学制备成膜、无毒等优点。
在使用电化学方法制备聚吡咯时的聚合机理与用化学氧化法制备时的机理相似，也可以用自由基机理来解释：首先，吡咯单体分子在电场的作用下，会在电极的表面失去电子而成为阳离子自由基，然后自由基会与另一单体相互结合而成为吡咯的二聚体。
经过链增长步骤，最终得到聚吡咯大分子链。
通常来说，使用化学氧化聚合法或电化学聚合法制备聚吡咯时，得到的产品都是黑色的固体，在使用化学氧化聚合法时制备的聚吡咯的产物一般是黑色粉末，而通过电化学聚合法则会在电极表面得到一层PPy薄膜。
1实验部分1.1实验原理PPy导电机理为：PPy结构有碳碳单键和碳碳双键交替排列成的共轭结构，双键是由σ电子[1] 和π电子构成的，σ电子被固定住无法自由移动，在碳原子间形成共价键。
共轭双键中的2个π电子并没有固定在某个碳原子上，它们可以从一个碳原子转位到另一个碳原子上，即具有在整个分子链上延伸的倾向。
即分子内的π电子云得重叠产生了为整个分子共有的能带，π电子类似于金属导体中的自由电子。
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可快速充放电聚吡咯/碳纳米管复合材料电化学聚合与表征朱剑波1,2徐友龙1,2,*王杰1,2王景平1,2(1西安交通大学,电子陶瓷与器件教育部重点实验室,西安710049;2西安交通大学,国际电介质研究中心,西安710049)摘要:采用恒电流法制备了具有可快速充放电性能的对甲基苯磺酸根(TOS -)掺杂聚吡咯/功能化单壁碳纳米管(PPy-TOS/F-SWNTs)复合材料,扫描电镜(SEM)结果表明该复合材料呈纳米棒状构成的多孔结构,棒径约为70nm;比表面积(BET)测试分析表明该复合材料有着较高的比表面积(12.64m 2·g -1)和大的介孔孔隙率(20-40nm).循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒电流充放电(GC)电化学分析表明该材料具有优异的快速充放电性能,在800mV 的电位窗和2.5A ·g -1(功率密度为2kW ·kg -1)的电流密度下该材料具有211F ·g -1的比容量(能量密度为18.7Wh ·kg -1),而当充放电电流高达80A ·g -1(功率密度为60kW ·kg -1)时比容量仍可达141.8F ·g -1(能量密度为12.6Wh ·kg -1),同时该材料还表现出优异的稳定性,在10A ·g -1大电流下经历10000圈循环后容量仍保持95.2%.关键词:超级电容器;电化学聚合;聚吡咯;单壁碳纳米管中图分类号:O646Electropolymerization and Characterization of Fast Charge-DischargePPy/F-SWNTs Composite MaterialsZHU Jian-Bo 1,2XU You-Long 1,2,*WANG Jie 1,2WANG Jing-Ping 1,2(1Electronic Materials Research Laboratory,Key Laboratory of the Ministry of Education,Xi ʹan Jiaotong University,Xi ʹan 710049.P .R.China ;2International Center for Dielectric Research,Xi ʹan Jiaotong University,Xi ʹan 710049.P .R.China )Abstract:Fast charge-discharge composite materials of conducting polypyrrole and functionalized single-walled carbon nanotubes doped with p -toluenesulfonate (PPy-TOS/F-SWNTs)were prepared by galvanostatic electrochemical polymerization.Scanning Electron Microscope (SEM)images showed that the composite had a nano-rod structure with a diameter of about 70nm.Nitrogen adsorption-desorption experinents were used to characterize the specific surface area (BET)(up to 12.64m 2·g -1)and pore sizes of the composite.Electrochemical properties of the composites were studied by cyclic voltammetry (CV),electrochemical impedance spectroscopy (EIS),and galvanostatic charge-discharge (GC)measurements.The specific capacitance of this composite is about 211F ·g -1(energy density:18.7Wh ·kg -1)at a current density of 2.5A ·g -1,and 141.8F ·g -1(energy density:12.6Wh ·kg -1)at large current density of 80A ·g -1.The composite had excellent cyclability with a capacity retention of about 95.2%after 10000cycles at a current density of 10A ·g -1.All these results indicate that this new composite material has a very rapidly charge-discharge ability Key Words:Supercapacitor;Electropolymerization;Polypyrrole;SWNTs[Article]doi:10.3866/PKU.WHXB201112021物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin .2012,28(2),373-380February Received:September 26,2011;Revised:November 21,2011;Published on Web:December 2,2011.∗Corresponding author.Email:ylxu@;Tel:+86-2982665161.The project was supported by the National High-Tech Research and Development Program of China (863)(2007AA03Z249)and National Natural Science Foundation of China (20804030).国家高技术研究发展计划(863)(2007AA03Z249)和国家自然科学基金(20804030)资助项目ⒸEditorial office of Acta Physico-Chimica Sinica373Acta Phys.-Chim.Sin.2012Vol.281引言随着人们对便携式系统和电动车的需求日益增加,电化学电容器,也称超级电容器,成为人们十分关注的一种能量存储器件.1,2导电聚合物作为一类具有赝电容性质的电极材料,具有高电导率、3高掺杂度、4,5快速的电化学转换5,6以及不可忽视的大电容量6-8等优势,其中导电聚吡咯(PPy)还兼具着合成容易和环境友好9等优势,被认为是最具有实用价值10的导电聚合物材料之一.但是PPy的主要缺点在于掺杂/脱掺杂过程中PPy主链经历膨胀、收缩、断裂、破坏,导致其导电性能的逐步恶化,11,12从而致使PPy电化学循环稳定性差.13Iroh等5通过聚酰亚胺(PI)和PPy共聚复合,利用PI的良好柔韧性有效改善了PPy的机械性能,减缓了由于离子嵌入和脱嵌PPy体积膨胀引起的主链破坏,从而改善PPy电化学性能.Frackowiak等14利用化学法制备了PPy和碳纳米管(CNTs)的复合材料,利用CNTs优异的机械性能、15,16高电子电导16,17以及大比表面积18等特性对PPy进行改性.相比化学法,电化学法制备材料具有制备工艺简单、易成膜、电导率高等优势,本课题组前期采用混酸氧化19,20处理单壁碳纳米管(SWNTs)制备功能化的碳纳米管(F-SWNTs),并用电化学法原位聚合制备PPy与F-SWNTs的复合材料,21该复合材料具有良好赝电容性质,在200mV·s-1的高扫描速率下具有200F·g-1的高比容量,本文在此基础上,通过拉曼光谱分析、红外光谱分析、比表面积分析以及电化学分析等手段研究了PPy-TOS/F-SWNTs复合材料的初步电聚合机理,探究该复合材料具有良好物理化学性质和电化学性能的机理原因,并进一步制备和研究了具有更快速充放电性能和更长循环稳定性等电化学性能的超级电容器用电极材料.2实验部分2.1实验原料吡咯(Py)单体(Fluka化学药品公司,分析纯),经减压精馏,在0°C下存放备用.碳纳米管(中国科学院成都有机所公司,管径1-2nm,管长30μm,纯度>95%),98%的浓硫酸、65%的浓硝酸(西安化学试剂厂),对甲基苯磺酸、对甲基苯磺酸钠(国药集团上海化学试剂公司,分析纯,纯度>98%),氯化钾(天津市河红区红岩试剂厂,分析纯,纯度>98%),金属钽片,去离子水(电导率<0.5μS).2.2碳纳米管处理将100mg的单壁碳纳米管(SWNTs)加入到80 mL浓硝酸、浓硫酸(HNO3/H2SO4体积比为1/3)的混酸20中,在60°C下超声剪切处理24h,再通过多次抽滤、去离子水清洗,直至滤液为中性,滤饼在40°C 下真空烘干,得到功能化碳纳米管(F-SWNTs).2.3电极材料的制备电极材料制备采用恒电流电化学聚合法,根据实验室前期研究选择最优聚合条件:22温度为0°C,吡咯(Py)浓度为0.3mol·L-1,掺杂离子为0.3mol·L-1的TOS-,F-SWNTs的浓度为60×10-7,电流密度为0.5-2.0mA·cm-2,聚合电量为0.5mAh·cm-2.该条件下制备的复合物材料记为PPy-TOS/F-SWNTs;相同聚合环境和聚合电量下,制备了未添加F-SWNTs的材料,记为PPy-TOS,以及未添加TOS-掺杂的样品记为PPy/F-SWNTs;电聚合基底材料采用打磨平滑的1cm×1cm钽片.2.4电极材料的表征通过激光拉曼光谱(法国Jobin Yvon公司:激光器能量E laser=2.41eV,激光波长为514nm)和红外光谱分析(德国Bruker公司)对F-SWNTs样品进行表征.SEM(JSM-6700F)用于复合材料表面形貌表征. BET比表面积测试使用SA3100比表面积及孔隙分析仪(美国贝克曼库尔特公司),在液氮(77K)条件下测定样品的N2吸-脱附等温曲线及孔径分布曲线.复合材料的电子电导率是采用RTS-9型双电测四探针测试仪(广州四探针科技公司)测量得到.复合材料的电化学性能测试在VMP2型电化学工作站(美国普林斯顿应用研究)上进行,三电极体系,循环伏安(CV)法测试的扫描速率为10-1000mV·s-1;恒电流充放电(GC)测试的电流为2.5-80A·g-1,工作电极即为恒电流制备得到的电极材料,参比电极选择饱和甘汞电极(SCE),对电极为铂电极,电解液为3 mol·L-1的KCl水溶液;循环稳定性测试是在Arbin SCTS系统(美国Arbin仪器公司)上进行的.3结果与讨论3.1F-SWNTs的表征单壁碳纳米管在范德华力的作用下团聚缠绕成束状,其水溶性很差,因而限制了其在电化学制备复合材料中的应用.本文通过混酸氧化的方法得到了水溶性很好的F-SWNTs.图1给出了F-SWNTs 的拉曼散射和红外光谱吸收.拉曼光谱中,1587.3374朱剑波等:可快速充放电聚吡咯/碳纳米管复合材料电化学聚合与表征No.2cm -1散射峰对应于SWNTs 的G 峰带,即SWNTs 内碳原子sp 2杂化的平面振动峰,1349.8cm -1处为SWNTs 的D 峰带,即SWNTs 内碳原子sp 3杂化的散射峰,23功能化后的F-SWNTs 拉曼光谱中G 峰峰强减弱,而D 峰峰强增强,说明F-SWNTs 上的sp 3杂化碳原子增加,碳原子被氧化链接上亲水性羟基(－C ||－OH)和羧基(－C ||O －OH)基团.而在约265cm -1附近的SWNTs 的缠绕峰消失,说明在功能化后碳管的缠绕被打开,由于表面电荷的排斥作用,以致F-SWNTs 的缠绕峰消失.同时在图1(B)中,通过红外光谱分析也清晰地看到,功能化后的SWNTs 在3435和1640cm -1两处的吸收峰加强,根据文献24报道,其分别对应于F-SWNTs 上的－OH 官能团的伸缩振动和－COOH 官能团中的C ＝O 伸缩振动吸收峰.结合拉曼分析可以认为,通过功能化,增加了SWNTs 上的亲水基团的含量,改善了其在水溶液中的分散性.从图1(A)内小图也可以很清的看到,功能化后的SWNTs (b)有很好的分散性,静置数天都依然均匀分散,而相比较未功能化的SWNTs,超声分散后10min 后出现团聚沉淀(a).3.2复合材料表面形貌结构分析图2为PPy-TOS 、PPy/F-SWNTs 、PPy-TOS/F-SWNTs 的场发射扫描电镜(FE-SEM)图.从图2a中图2PPy-TOS (a)、PPy/F-SWNTs (b)、PPy-TOS/F-SWNTs (c,d)的FE-SEM 图Fig.2FE-SEM images of PPy-TOS (a),PPy/F-SWNTs (b),and PPy-TOS/F-SWNTs (c,d)图1SWNTs 和功能化的SWNTs (F-SWNTs)的拉曼光谱(A)和红外光谱(B)Fig.1Raman spectroscopy (A)and infrared spectroscopy (B)of SWNTs and functionalized SWNTs (F-SWNTs)The embedded photograph in (A)is the comparison of the aqueous dispersion of SWNTs (a)and F-SWNTs (b)standing for120h after 30min ultrasonic dispersion.375Acta Phys.-Chim.Sin.2012Vol.28可以看出,对于PPy-TOS 材料,没有添加F-SWNTs 的PPy 膜是一层椰菜花状致密膜,由图2b 可知,未添加掺杂离子的复合物材料中,PPy 大部分独立成膜,而只有少量F-SWNTs 被夹杂在PPy 膜中.由图2(c,d)可知,PPy-TOS/F-SWNTs 材料表面呈纳米棒结构,直径分布在70nm 左右,说明电化学聚合中,F-SWNTs 为PPy 的聚合提供了很好支撑骨架,使得PPy 在其壁上包覆生长,由纳米棒形成了均质多孔的PPy-TOS/F-SWNTs 纳米复合材料.对比图2b 和图2c 可以看到,在聚合过程中,TOS -起到了一种表面活性剂的作用,作为连接F-SWNTs 上亲水基团和油性Py 单体的中间物,使Py 易于在F-SWNTs 上包覆生长,并同时对PPy 进行掺杂,这样形成的具有纳米通道的纳米棒状结构的PPy-TOS/F-SWNTs 和电解液的侵润性更好,有利于电解液和电极材料表面的接触,也就提高了材料的电化学离子传输和交换性能.图3是PPy-TOS 和PPy-TOS/F-SWNTs 两种材料的BJH 孔径分布图和与之对应的N 2吸-脱附曲线,从BJH 孔径分布图中可以看到,PPy-TOS 薄膜孔隙分布在8nm 附近,而且孔隙率较低.而对于PPy-TOS/F-SWNTs 复合材料,其孔径分布在20-40nm 之间,且有着较高的孔隙率.BET 测试该复合薄膜材料的比表面积为12.64m 2·g -1,而纯PPy-TOS 薄膜材料只有2.6m 2·g -1.结合SEM 形貌分析可以看到,在PPy 的聚合过程中,F-SWNTs 的加入为PPy 提供了支撑骨架,PPy-TOS/F-SWNTs 薄膜材料具有三维纳米多孔结构,改善了复合材料的表面形貌,增加了孔隙率,有效地提高了比表面积.3.3复合物聚合初步机理分析图4给出了PPy-TOS/F-SWNTs 一个可能的电化学聚合过程.通过功能化处理,F-SWNTs 化学修饰上了一定亲水性功能团,具有负电性.在恒电流电化学阳极共聚合的过程中,初始时由于静电吸附作用,F-SWNTs 会在电极表面吸附,而Py 单体是一种油性有机单体,由于相似相溶原理作用,Py 更易于在F-SWNTs 的表面形成聚集和吸附,然后在电流作用下电聚合形成PPy,这样PPy 先在F-SWNTs 的图3PPy-TOS 和PPy-TOS/F-SWNTs 的BJH 孔径分布图和N 2吸-脱附曲线(插图)Fig.3Pore size distribution curves and N 2adsorption-desorption isotherms (inset)of PPy-TOS and PPy-TOS/F-SWNTs图4PPy-TOS/F-SWNTs 复合材料的电化学生长过程示意图Fig.4Illustration of the possible growth process of PPy-TOS/F-SWNTs compositematerials376朱剑波等:可快速充放电聚吡咯/碳纳米管复合材料电化学聚合与表征No.2管壁包覆聚合,再进一步地聚合,复合材料PPy-TOS/F-SWNTs 将形成一种鞘壳包覆的纳米棒状结构.由图2可看到,PPy-TOS/F-SWNTs 的确呈现一种纳米棒状结构,直径约为70nm,相比较F-SWNTs 的管径为1-2nm,可知PPy 在F-SWNTs 上能很好地包覆生长.此外在聚合过程中,TOS -离子自然地掺杂于PPy 中,形成具有良好导电性的聚合物,从而保障了进一步聚合过程的有效进行.25我们实验表明,在未加入掺杂离子时,由于纯PPy 的导电性差,致使聚合过程很快就结束,并且制备得到的聚合物材料的电性能很差.通过四探针法测量了三种复合材料的电子电导率,其中未掺杂的PPy/F-SWNTs 仅有0.11S ·cm -1,其原因在于未掺杂的PPy 自身是一个绝缘体.通过掺杂才能改变PPy 链上电子的费米分布,从而提高了电子导电率,四探针法测得PPy-TOS 电子电导率为33.4S ·cm -1,而对于加入F-SWNTs 的PPy-TOS/F-SWNTs 可达81.6S ·cm -1,电子电导率有着明显的提高,说明掺杂离子在电聚合过程中起到了很重要的作用.3.4电化学分析图5给出了三种材料在扫描速率为10和1000mV ·s -1时的CV 图.由图可以很清晰地看到,PPy-TOS 材料在快速扫描下性能衰减很快,结合SEM 分析可知,其材料表面形成致密的膜,不利于电极材料与电解液有效接触,阻碍了离子的快速迁移.对于PPy/F-SWNTs 膜,由于没有掺杂离子,制备的PPy 膜电导率较低,内阻较大,表现出电容量非常低.PPy-TOS/F-SWNTs 材料在低扫描速率时具有接近矩形的CV 曲线,表现出良好的电容特性,即使是在1000mV ·s -1快速的扫描条件下,仍然保持着准矩形.由于复合材料中F-SWNTs 作为一种高电子电导的材料,改善了PPy 材料的电子导电率,同时以F-SWNTs 作为导电支撑骨架,电聚合形成三维多孔的纳米棒堆积结构,有效地减小了电解液中离子的扩散路径,由公式t =L 2·D -1(其中L 为扩散路径,D 为扩散系数)知,由于离子扩散的时间常数t 与扩散路径的平方成正比,减小L ,将大幅度地减短离子扩散时间,提高响应速率和离子电导率,通过复合对材料的电子电导和离子电导都有良好的改善,也就体现为CV 测试中1000mV ·s -1的扫描速率(v )下材料仍然有着良好的电容特性.进而根据公式C spec =∫t d t d v,可以计算得到不同扫描速率下的比容量,如表1所示.可以看到,复合材料在1000mV ·s -1的扫描速率下仍具有165.8F ·g -1的高比容量.图6(a)给出了开路电位下三种材料的交流阻抗谱测试(EIS)曲线比较,很明显,未掺杂的PPy/FSWNTs 的内阻达到80Ω,掺杂的PPy 仅有0.5Ω的等效内阻,而相对于PPy-TOS,PPy-TOS/F-SWNTs 的内阻略小.图6(b)中给出的是PPy-TOS,PPy-TOS/F-SWNTs 两种材料在不同电位下的EIS 曲线,在0V 电位下两种材料的EIS 曲线基本相近.但在0.4V 和-0.4V 电位下PPy-TOS 材料内阻较大,低频时表图5PPy-TOS,PPy/F-SWNTs,PPy-TOS/F-SWNTs 的CV 测试图Fig.5Cyclic voltammograms of PPy-TOS,PPy/F-SWNTs andPPy-TOS/F-SWNTs表1不同扫描速率(v )下PPy-TOS,PPy/F-SWNTs 和PPy-TOS/F-SWNTs 的比容(C spec )值Table 1Specific capacitance (C spec )of PPy-TOS,PPy/F-SWNTs and PPy-TOS/F-SWNTs at different scanningrates (v )v /(mV ·s -1)10501002005001000C spec /(F ·g -1)PPy-TOS 216.3170.5143.8108.271.754.6PPy/F-SWNTs 42.625.19.855.422.481.29PPy-TOS/F-SWNTs210.1211.6210.0202.1187.9165.8377Acta Phys.-Chim.Sin.2012Vol.28现出较大的Warbug 阻抗,说明离子在该材料中的传输受到较大阻碍.在高电位(0.4V)下,PPy 处于一种脱掺杂状态,电子电导率变小,内阻增大,由于PPy-TOS 材料的致密成膜使得离子传输交换受到制约,进而表现为材料的等效内阻变大,出现较大的Warbug 阻抗.26而通过F-SWNTs 复合改性后,PPy-TOS/F-SWNTs 复合材料即使在高电位条件下,仍然保持着很好的超级电容器性能,高频时的电荷转移电阻也比前者小,低频时曲线依然接近90°角.说明复合材料在高电位下,F-SWNTs 良好的电子导电性很好地弥补了PPy 由于脱掺杂而导致的电导率下降,而复合材料这种由纳米棒构成的三维多孔结构也更有利于电解液中离子传输交换.保证了材料在整个工作电位窗中都保持着良好的电容特性.图7(a)给出了PPy-TOS/F-SWNTs 材料在不同充放电电流下的恒电流充放电(GC)曲线,在2.5A ·g -1放电电流下,曲线表现为一个对称的线性的充放电曲线,说明该材料具有理想电容特性,即使是在高达80A ·g -1快速充放电时,该材料仍具有一个良好的充放电曲线.根据公式C spec =C =I ×Δt (其中m 为电极材料质量,V 为电压)可以计算得到该材料在不同的充放电电流下的比容量.几种材料比容量随恒电流充放电电流增加的变化如图7(b)所示.未掺杂的PPy/F-SWNTs,其初始容量仅为45F ·g -1,且衰减很快.PPy-TOS 材料的初始比电容为219.4F ·g -1,略高于PPy-TOS/F-SWNTs 的211F ·g -1,究其原因在于F-SWNTs 自身双电层容量较PPy 的赝电容容量要低,加入F-SWNTs 使得单位质量的电容量稍有降低.但是可以看到,加大GC 的恒电流,PPy-TOS 材料的比容量迅速衰减,20A ·g -1时仅保持155.5F ·g -1,为初始值的71.0%;而在80A ·g -1时,比图6开路电位下PPy-TOS 、PPy/F-SWNTs 、PPy-TOS/F-SWNTs (a)以及不同电位下PPy-TOS 、PPy-TOS/F-SWNTs (b)的EIS 谱Fig.6EIS spectra of PPy-TOS,PPy/F-SWNTs,and PPy-TOS/F-SWNTs at the open circuit potential (OCP)(a),andPPy-TOS and PPy-TOS/F-SWNTs at different potentials (b)The insets are the enlargement of the selectedarea.图7PPy-TOS/F-SWNTs 在不同充放电电流密度下的GC 曲线(a)及PPy-TOS/F-SWNTs,PPy-TOS,PPy/F-SWNTs 的比容量与充放电电流密度的变化曲线(b)Fig.7GC curves of PPy-TOS/F-SWNTs at different charge-discharge current densities (a)and specific capacitances versuscurrent densities of PPy-TOS,PPy/F-SWNTs,and PPy-TOS/F-SWNTs (b)The inset in (a)is the enlargement of the selectedcurves.378朱剑波等:可快速充放电聚吡咯/碳纳米管复合材料电化学聚合与表征No.2容量已经衰减为52.2F ·g -1(仅为初始值的23.8%);而对于PPy-TOS/F-SWNTs 复合材料,其在20和80A ·g -1时的比容量分别为177.1F ·g -1(83.9%)和141.8F ·g -1(67.2%).该数值和循环伏安测试所计算得到的比容量值相吻合.正是由于成功制备得到具有快速响应能力的三维多孔棒状复合物材料,加大了离子传输通道和交换面积,同时碳纳米管的加入改善了PPy 的导电性,使得在超大电流放电时,复合材料表现出良好的电容性能.3.5循环稳定性和Ragone 图分析进一步用恒电流充放电法研究了复合材料PPy-TOS/F-SWNTs 的循环稳定性和能量/功率密度,采用两电极测试体系(组装测试装置见图8内插图),电解液为3mol ·L -1的KCl,测试电位窗为-0.4-0.4V .图8给出了10A ·g -1电流密度下10000圈的循环稳定性曲线和复合材料的库仑转换效率曲线.可以看到,复合材料在循环初始阶段有一个较小的衰减后保持良好的稳定性,在10000圈循环后,其比容量仍保持为95.2%,而对于单纯的PPy-TOS 材料,其比容量随着循环持续衰减,在10000圈后比容量仅为初始比容量的48.7%.加入F-SWNTs 提高了复合材料的循环稳定性,尤其突出的是该复合材料在整个循环过程中的库仑转换效率都大于98.2%,说明在充放电循环中该材料有着良好的可逆性.通过恒电流充放电数据计算得到PPy-TOS/F-SWNTs 的能量和功率密度,图9给出了其对应的Ragone 图2,8,28.对于PPy-TOS/F-SWNTs,最大的能量密度可达18.7Wh ·kg -1,其对应的功率密度为2kW ·kg -1(放电电流为2.5A ·g -1),略小于PPy-TOS 的19.5Wh ·kg -1.但当功率密度由4kW ·kg -1(放电电流为5A ·g -1)增加到60kW ·kg -1(放电电流为80A ·g -1),对于PPy-TOS,其能量密度由17.2Wh ·kg -1衰减至仅有4.64Wh ·kg -1,而PPy-TOS/F-SWNTs 在60kW ·kg -1大功率密度下能量密度仍可达12.6Wh ·kg -1,表现出优异的功率性能.图9中,和其它几类储能换能器件相比较,本文制备得到的复合材料具有能量和功率密度两个方面的优势,有潜在应用前景.如此优异的稳定性和高的能量/功率密度是由于PPy-TOS/F-SWNTs 形成了三维多孔纳米结构,F-SWNTs 的加入对于PPy-TOS/F-SWNTs 离子的快速进出和高容量和高功率密度起到了极其重要的影响.4结论通过混酸超声剪切技术对SWNTs 进行纯化和表面修饰,获得F-SWNTs,功能化后的F-SWNTs 具有羟基和羧基等亲水基团,使其在水溶液中分散性大大提高,得到了在水溶液中电化学聚合法制备PPy-TOS/SWNTs 复合材料.电化学制备得到纳米棒构成的多孔结构PPy-TOS/F-SWNTs 电极材料,具有良好的电容性能,在2.5A ·g -1的大电流放电下具有211F ·g -1的比容量,更大充放电电流(80A ·g -1,功率密度高达60kW ·kg -1)下仍具有很好的电容特性和高的比容量,其比容量高达141.8F ·g -1,其最大能量密度可达18.7Wh ·kg -1,通过加入F-SWNTs 使结构改善,比纯PPy-TOS 的循环稳定性能得到了很大提高,在10000圈循环后衰减仅为4.8%,表现出优异图8PPy-TOS/F-SWNTs 和PPy-TOS 在电流密度为10A ·g -1时两电极体系的循环稳定性Fig.8Cycling stability of PPy-TOS/F-SWNTs and PPy-TOS measured with a two-electrode cell at a currentdensity of 10A ·g -1The inset is an actual photo of the two-electrodecell.图9PPy-TOS/F-SWNTs 和PPy-TOS 材料的能量密度-功率密度Ragone 曲线2,8,27Fig.9Ragone plot of energy densities versus power densities for PPy-TOS/F-SWNTs and PPy-TOSfunctional materials2,8,27379Acta Phys.-Chim.Sin.2012Vol.28的稳定性.从而使得导电聚合物材料超级电容器有望成为一种具有优异性能的可快速充放电的超级电容器电极材料.References(1)Simon,P.;Gogotsi,Y.Nature Materials2008,7,845.(2)Winter,M.;Brodd,R.J.Chemical Reviews2004,104,4245.(3)Kalaji,M.;Murphy,P.J.;Williams,G.O.Synthetic Metals1999,102,1360.(4)Bredas,J.L.;Street,G.B.Accounts of Chemical Research1985,18,309.(5)Iroh,J.O.;Levine,K.Journal of Power Sources2003,117,267.(6)Ingram,M.D.;Staesche,H.;Ryder,K.S.Solid State Ionics2004,169,51.(7)Mastragostino,M.;Arbizzani,C.;Soavi,F.Solid State Ionics2002,148,493.(8)Il Cho,S.;Lee,S.B.Accounts of Chemical Research2008,41,699.(9)Groenendaal,B.L.;Jonas,F.;Freitag,D.;Pielartzik,H.;Reynolds,J.R.Advanced Materials2000,12,481.(10)Burke,A.Journal of Power 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