氧化石墨烯_聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能
基于氧化石墨烯的超级电容器的制备和应用研究
基于氧化石墨烯的超级电容器的制备和应用研究随着科技的进步，电子产品的需求在不断增长。
为了应对这一需求，电池和超级电容器的研究变得越来越重要。
超级电容器是一种新型的存储能量设备，与传统的电池相比，超级电容器拥有极高的能量密度、长寿命、快速充放电等优势。
因此，其在电子、交通、航空航天等领域有着广泛的应用前景。
而基于氧化石墨烯的超级电容器具有极大的发展潜力，以下将介绍其制备和应用研究的最新进展。
一、氧化石墨烯的制备氧化石墨烯是一种由单层碳原子构成的材料，化学式为C（O）OH。
氧化石墨烯的制备方法有多种，其中常用的方法包括化学氧化法、热氧化法、电化学氧化法等。
化学氧化法是目前较为常用的制备方法。
通常将石墨粉末与混合酸（硝酸和硫酸）混合，经过氧化反应后，用水洗涤和干燥即可。
热氧化法则通过将石墨粉末加热至高温下，通过氧化反应制备氧化石墨烯材料。
这种方法制备出的氧化石墨烯具有较高的热稳定性和晶体品质，但是制备难度较大，成本较高。
电化学氧化法则是通过电化学反应制备氧化石墨烯材料。
这种方法可以使石墨表面的氧化程度更加均匀，制备出的氧化石墨烯具有良好的电化学性能。
二、基于氧化石墨烯的超级电容器的研究进展基于氧化石墨烯的超级电容器研究起步较晚，但是得到了长足的发展。
氧化石墨烯的独特结构和性质使得基于其材料制备的超级电容器具有优异的性能，例如：高能量密度、高功率密度、长寿命等特点。
1. 氧化石墨烯/聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料氧化石墨烯/聚对苯二甲酸丁二醇酯（PVB）复合材料是目前研究较为成熟的氧化石墨烯超级电容器材料。
这种材料的优点在于氧化石墨烯的导电性和PVB的柔软性、韧性结合在了一起，既能够提高超级电容器的能量密度，又能有效延长电容器的使用寿命。
2. 氧化石墨烯/多孔碳材料复合材料氧化石墨烯/多孔碳材料复合材料也是一种目前研究较为活跃的氧化石墨烯超级电容器材料。
通过将氧化石墨烯与多孔碳材料结合，能够有效提高超级电容器的能量密度和功率密度，并且提高超级电容器的使用寿命。
氧化石墨烯的制备及电性能研究
氧化石墨烯的制备及电性能研究1. 概述氧化石墨烯是一种有机功能材料，具有优良的电性能和化学稳定性，可用于超级电容器、锂离子电池等领域。
本文将介绍氧化石墨烯的制备方法和电性能研究进展。
2. 氧化石墨烯的制备氧化石墨烯的制备方法有化学氧化法、热氧化法等。
其中化学氧化法是最常用的方法。
化学氧化法的原理是通过强氧化剂来氧化石墨烯表面的碳原子，形成氧化石墨烯。
一般选用的氧化剂有硝酸、硫酸、过氧化氢等。
以硝酸为例，其反应式为：C + 6HNO3 → C(NO2)2 + 2CO2 + 4H2O + 2NO2C(NO2)2 + 3HNO3 → 2CO2 + 4NO2 + 3H2O制备过程中需要先将石墨烯与氧化剂混合，然后在温度和时间的控制下进行反应。
反应过程中还需加入还原剂如羟胺等，以消除氧化剂的副反应。
3. 氧化石墨烯的电性能研究氧化石墨烯的电性能主要包括电导率、电容等，其性质由制备方法和结构决定。
3.1 电导率氧化石墨烯的电导率较低，但可以通过还原反应得到还原石墨烯，使其电导率增强。
还原反应一般采用高温还原法、化学还原法等。
以化学还原法为例，需要引入还原剂如氢气、氢化钠等，反应式为：nCO + nH2 → CnH2n + nH2O还原后的石墨烯电导率可达到金属的水平，可作为导电性能优良的电极材料。
3.2 电容氧化石墨烯的电容主要包括电化学电容和双层电容。
电化学电容指的是在电解液中利用氧化石墨烯表面的官能团和电离液体之间的相互作用来存储电荷的现象，该电容的特点是容量大、充放电速度快、循环寿命长。
双层电容指的是在氧化石墨烯表面形成一个双层电位差，使其具有储能的能力，该电容的特点是充放电速率快、能量密度高。
4. 应用前景氧化石墨烯具有优良的电性能和化学稳定性，可用于多种领域。
在电池领域，氧化石墨烯的导电性能可提高锂离子电池的性能；在超级电容器领域，氧化石墨烯的电容可使超级电容器具有高能量密度；在传感器领域，氧化石墨烯能够通过改变电性能来感知环境变化；在生物医学领域，氧化石墨烯可用作药物载体或医用材料。
氧化石墨烯的电化学性能研究
氧化石墨烯的电化学性能研究氧化石墨烯是一种石墨烯的氧化物，具有独特的电化学性能，对于储能与传感器等领域具有重要的应用前景。
本文将探讨氧化石墨烯的电化学性能研究，并对其应用进行讨论。
首先，氧化石墨烯具有很高的电子迁移率和导电性能。
由于石墨烯的单层结构和π共轭等特点，氧化石墨烯在氧化过程中保留了石墨烯的导电性质。
研究表明，氧化石墨烯的电子迁移率约为10000 cm^2V^(-1)s^(-1)，是其他碳基材料的十几到几百倍。
这使得氧化石墨烯在电子器件领域具有广阔的应用前景，如柔性显示器、有机太阳能电池等。
其次，氧化石墨烯具有良好的储能性能。
研究发现，氧化石墨烯具有较高的比表面积和丰富的官能团。
这些特点使得氧化石墨烯作为电容器电极材料具有较高的电容量和较低的内阻。
同时，氧化石墨烯还能够与锂等离子体发生化学反应，形成锂离子储能材料，具有较高的充放电容量和较长的循环寿命。
这使得氧化石墨烯在储能领域有着广泛的应用前景，如锂离子电池和超级电容器等。
此外，氧化石墨烯还具有优异的传感性能。
由于氧化石墨烯的大量官能团和高比表面积，它能够与许多分子发生作用，形成有效的传感器。
研究表明，氧化石墨烯可以用于检测气体、离子和生物分子等，并具有高灵敏度和高选择性。
例如，它可以用作生物传感器，用于检测DNA、蛋白质和细胞等生物分子，具有很高的应用潜力。
最后，虽然氧化石墨烯具有很多优异的电化学性能，但仍然存在一些挑战。
首先，氧化石墨烯的合成方法多样，但仍然面临着较高的成本和复杂的操作。
其次，氧化石墨烯的稳定性相对较差，容易在长时间使用中发生结构变化和降解。
此外，氧化石墨烯还面临制备大规模材料和与其他材料的界面相容性等问题。
综上所述，氧化石墨烯作为一种具有独特电化学性能的材料，对于储能与传感器等领域具有重要的应用前景。
然而，目前仍需要进一步的研究来解决其合成方法、稳定性和大规模制备等问题。
相信随着科学技术的不断发展，氧化石墨烯将在未来取得更多的突破，为我们的生活带来更多的便利。
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。
CYCU-3孔内合成聚吡咯及其电导性能表征
CYCU-3孔内合成聚吡咯及其电导性能表征周盈汐; 王会锋; 孙福兴【期刊名称】《《无机化学学报》》【年(卷),期】2019(035)011【总页数】6页(P2095-2100)【关键词】金属有机框架材料; 孔内聚合; 电导【作者】周盈汐; 王会锋; 孙福兴【作者单位】吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室长春 130012【正文语种】中文【中图分类】TB330 引言金属有机框架材料是近二十几年来发展起来的一种晶态的多孔材料，其结构是由金属离子或金属簇中心与具有多个配位基团相互连接而形成的多孔配位聚合物[1-3]。
由于它们在发展的过程中表现出了很强的结构可设计性、可修饰性、可裁剪性和可调控性，引起了人们广泛的注意[4-7]。
人们利用金属有机框架的这些特点，开发了它们在多领域的应用，包括：气体存储[8-9]、小分子分离[10-12]、催化[13-14]、传感[15-16]、荧光[17-18]、生物成像和药物传输[19-20]以及电化学应用[21-22]等。
由于金属有机框架结构的特点，其缺乏有效的电子传导途径，所以这类材料通常是绝缘材料，限制了它们在这方面的相关应用[23]。
另一方面，作为一种多孔材料而且合成方法简单多样，金属有机框架材料很容易与其他多功能材料进行复合。
利用多孔材料的孔道合成聚合物材料，可以为多孔材料带来新的多功能性质，还可以改变聚合物材料的形态，增强它们的应用潜力[24]。
与其他多孔材料相比，金属有机框架作为晶态材料，孔道更加有序，有利于复合材料的设计与合成[25]。
与传统晶态微孔材料沸石相比，金属有机框架材料的孔道可以更大，也更有利于在孔道内合成聚合物。
聚吡咯是一种常见的导电聚合物材料，其合成简便，在空气中很稳定，在电池、电容器、驱动器、光电电池以及生物传感等很多领域具有潜在的应用能力[26]。
聚吡咯在聚合的过程中，很容易产生支链和交联，使其加工性受到限制[27]。
我们选择了一个具有介孔尺寸的金属有机框架材料CYCU-3作为主体材料，并在其孔道内成功合成了聚吡咯。
导电高分子聚吡咯的研究现状及应用
导电高分子聚吡咯的研究现状及应用作者：涂瑞宇来源：《中国科技纵横》2019年第01期摘要：聚吡咯是一种应用广泛的导电高分子材料，性质稳定，导电率高，制备容易，有着广阔的研究前景，例如应用在导电材料，金属抗腐蚀性，吸波材料，导电织物等。
本文综述了聚吡咯的性质，合成方法以及应用，并对聚吡咯在未来的应用进行展望。
关键词：聚吡咯;导电高分子;现状概述;合成方法;应用领域;未来展望中图分类号：O633.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）01-0206-02从1977年人们发现掺杂聚乙炔具有金属性之后，导电高分子科学开始进人们的视野。
由于其特有的性质以及独特的结构，在导电材料、金属抗腐蚀、吸波材料等领域有着极高的研究价值。
如今导电高分子材料众多，主流材料为：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，其中聚吡咯尤为突出。
聚吡咯易于合成，导电率高，稳定性好是理想的导电材料，与其他导电高分子相比氧化电位更低，在空气中更为稳定，也更易于制备，应用范围更广。
因此聚吡咯成为研究发展的热门材料，本文主要介绍了聚吡咯的主要性质，合成方法，应用领域以及对未来的展望。
1 聚吡咯的性质聚吡咯是一种高分子材料，由吡咯聚合而成。
吡咯（py）是碳氮杂环，常温下为无色油状的液体，微溶于水，易溶于醇、苯等有机溶剂，无毒。
而聚吡咯的性质与单体不一样，它是一种不溶于水，不熔的高分子，其链状结构还不清楚。
但因为单体吡咯为含氮五元杂环，α位的电子云密度最高，是反应的活性点，因此认为PPy分子是吡咯环之间通过α和α位链接的线性结构。
故PPy的结构如图1。
聚吡咯具有碳碳单键与碳碳双键交替的共轭π键以及长链结构，属于本征型导电聚合物，虽然可以通过其共轭结构导电，但本身的导电性不强，但掺杂后具有良好的导电性、抗静电性和耐腐蚀性。
因此聚吡咯的更多研究着眼于其掺杂之后的性质。
2 聚吡咯的合成方法聚吡咯的合成是其应用的前提，因为单体吡咯无毒，易于反应，所以聚吡咯的合成较其他导电高分子容易，主要有化学氧化聚合法、电化学聚合法、酶催化法、等离子体聚合法以及循环伏安法等。
基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状
基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状超级电容器是一种发展成本低、环境友好、能量密度高的新型绿色能源装置，具有充电时间短、放电速度快、使用寿命长、节约能源和绿色环保等优点，得到了科学界的一致追捧，而影响超级电容器最关键的因素就是电极材料的性能。
过渡金属氧化物如Mn02，ZnO，C0304和NiO等虽是较好的电极材料，但导电性能较差，会产生较大的内阻，使得在充放电过程中，容易导致电极材料结构的破坏而影响其充放电容量和循环性能。
将过渡金属负载到碳材料例如石墨烯上可以较好的解决这一难题，这方面研究国内外已有很多相关报道。
作为碳材料中重要的一员，石墨烯由于导电性能强、导热性好、质量轻、比表面积大而备受关注，在储能装置、电化学器件、功能性复合材料等方面都具有重要的应用。
将石墨烯应用到超级电容器上，改善了超级电容器的电容量和循环稳定性。
但石墨烯层与层之间的分子问作用力导致石墨烯容易团聚，从而降低了石墨烯的比表面积和比容量。
将过渡金属氧化物和石墨烯组装成复合材料，既能提高电极材料的导电性和充放电容量，又能增强其循环稳定性。
1过渡金属氧化物与石墨烯复合材料在超级电容器中的应用1．1二氧化锰／石墨烯在超级电容器的研究中，锰作为过渡元素较先受到关注。
虽然它资源比较丰富，且易获取，但电化学性能较弱，尤其是导电性能差阻碍了人们进一步研究的步伐。
通过与石墨烯的复合，能在一定程度上改善二氧化锰存在的问题，大幅度提高其比电容和循环性能。
Li等制备的石墨烯／Mn02复合纸电极具有无黏结剂、柔韧性好的特性，并发现其具有良好的循环稳定性，且在浓度为0．1 mol／L 的Na2SO4水溶液中，当电极的Mn02含量为24％，电流密度为O．5 A ／g时，该复合纸电极的比容量为256 F/g。
Wei等通过高锰酸钾还原成二氧化锰沉积在石墨烯表面制备出了二氧化锰／石墨烯复合材料，该复合材料在超级电容器性能测试中显示了较好的循环寿命，其电容为114 F／g。
氧化石墨烯_聚苯胺纳米复合材料的制备_表征及其潜在应用_马兴法
氧化石墨烯/聚苯胺纳米复合材料的制备、表征及其潜在应用 马兴法1, 2∗ 郑静 1 贺笑春 1 高明军1 李光3(1烟台大学环境/材料学院, 山东，烟台264005, 2浙江大学硅材料国家重点实验室, 浙江，杭州310027, 3浙江大学工业控制技术国家重点实验室, 浙江，杭州310027)摘要氧化石墨烯、导电聚苯胺是重要的多功能材料，在高能量的锂电池、超级电容器、催化、太阳能电池、化学传感、生物传感等领域有着较高的研究价值和潜在应用。
本文采用化学氧化法制得了氧化石墨烯，之后利用原位聚合途径合成了氧化石墨烯/导电聚苯胺纳米复合材料。
采用透射电镜（TEM）,原子力显微镜(AFM)，红外光谱(FTIR)，UV-Vis，X-射线衍射（XRD）等进行了相应表征。
为考察氧化石墨烯、氧化石墨烯/导电聚苯胺纳米复合材料的表面、界面特性，便于开发性能优异的纳电子器件，用所合成的纳/微米结构材料及其复合材料构筑了QCM结构化学传感器原型器件，对器件的吸附响应特性进行了对比考察。
探讨了存在的不足，并提出了一些改进的建议。
关键词: 氧化石墨烯； 纳米复合材料；表面与界面特性；吸附响应；化学传感Praparation, Characterizations, and Its Potential Applications of PANi/ Graphene Oxide Nanocomposite Xingfa Ma 1, 2*, Jing Zheng1, Xiaochun He1, Mingjun Gao1, and Guang Li3（1School of Environmental and Material Engineering, Yantai University, 264005, Yantai, 2State Key Laboratory of Silicon Materials, Zhejiang University, 310027, Hangzhou, 3National Laboratory of Industrial Control Technology, Institute of Advanced Process Control, Zhejiang University, 310027,Hangzhou）AbstractGraphene oxide (GO), nano/micro-structured polyaniline (PANi) are some typical important functional materials, which have many applications in lithium ion battery with high energy, supercapacitor, catalysts, solar cells, nanodevices, chemical sensors, biosensors and biomedical fields. In this paper, GO was obtained by using chemical oxidation method at room temperature, and nano/micro-structured GO/PANi composite was prepared with in-situ polymerization of aniline in the presence of GO suspension. A series of characterizations were examined by TEM (transmission electron microscopy), AFM (Atomic Force Microscope), XRD (X-ray diffraction), the Fourier-Transform Infrared (FTIR) spectra, UV-Vis, et al. To examine the surface and interface properties of GO, GO/PANi nanocomposite, chemical prototype sensors were constructed based on GO, GO/PANi nanocomposite and QCM device. The comparative response behaviors of the sensor to some typical volatile compounds operating at room temperature were investigated. The adsorption features to some typical volatile compounds were discussed. Some key issues and modification ideas were suggested for further investigation.Keywords: Graphene oxide (GO); Nanocomposites; Surface and Interface Features; Adsorption Response; Chemical sensors作者简介：马兴法，男，工学博士，副教授，从事有机-无机复合功能材料及器件性能研究； e-mail address: xingfamazju@。
电化学法制备石墨烯薄膜及其导热性能研究
电化学法制备石墨烯薄膜及其导热性能研究
黄鹏程;涂飞跃;刘素琴;肖可颂
【期刊名称】《矿冶工程》
【年(卷),期】2022(42)4
【摘要】采用优化的先浓硫酸氧化插层、再稀硫酸二次氧化插层的两步电化学氧化方法,将石墨纸电极剥离成缺陷较少、水平尺寸较大的氧化石墨烯薄片;利用平板刮涂的方式将氧化石墨烯的N-甲基吡咯烷酮分散浆料组装成氧化石墨烯薄膜,经由3 000℃的高温石墨化热处理过程和后续辊压操作,获得了性能优异的石墨烯导热薄膜材料,导热系数达到了3 090 W/(m·K)。
讨论了氧化石墨烯前驱体的氧含量、中值粒径数据及薄膜厚度对石墨烯薄膜导热性能的影响,并分析了其作用机理,可为石墨烯在导热领域的商业化应用提供参考。
【总页数】5页(P155-158)
【作者】黄鹏程;涂飞跃;刘素琴;肖可颂
【作者单位】长沙矿冶研究院有限责任公司;中南大学化学化工学院
【正文语种】中文
【中图分类】O646
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不同还原方法制备石墨烯及其电化学性能屈杨;汪伟伟;杨茂萍【摘要】采用Hummers改进法制备氧化石墨烯,分别选取水合肼、硼氢化钠、铝粉对所制备氧化石墨烯进行还原处理,用红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线电子能谱(XPS)对样品进行了结构、谱学、形貌表征,用高性能电池检测系统和电化学工作站对样品进行充放电测试、循环测试、CV测试和EIS测试分析.结果表明,所制备的氧化石墨烯分布相对均一、团聚现象较弱、片层厚度为1.107 nm、片层层数约为1～2层,C/O比为1.6.经过三种还原方法处理的石墨烯的含氧官能团在氧化石墨烯基础上都出现明显下降,C/O质量比分别提高到6.4、5.3、3.7.对三种不同还原方法制备的石墨烯(rGO/N2H4·H2O、rGO/NaBH4、rGO/AIP)进行电化学性能研究,导电性呈现rGO/N2H4·H2O＞rGO/NaBH4＞rGO/AIP趋势.导电性高,所制得的电池反应活性较高、极化较低,进而表现出较好的倍率和循环性能,GO/N2H4·H2O、rGO/NaBH4和rGO/AIP的0.2 C放电比容量分别为158.4、153.3和144.8 mAh/g;其中rGO/N2H4·H2O的导电性最高,表现出更好的倍率性能和循环性能,1C倍率保持95.5％、2C倍率保持仍能达到90.1％,0.2C@RT 800次循环后,容量保持率仍能达到95.3％,而rGO/NaBH4、rGO/AIP分别为91.1％和89.6％,相对较低.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)007【总页数】5页(P932-936)【关键词】氧化石墨烯;还原法;石墨烯;电化学性能【作者】屈杨;汪伟伟;杨茂萍【作者单位】合肥国轩高科动力能源有限公司,安徽合肥230011;合肥国轩高科动力能源有限公司,安徽合肥230011;合肥国轩高科动力能源有限公司,安徽合肥230011【正文语种】中文【中图分类】TM912.9石墨烯凭借其优异的理化性质，在超级电容器、电池、生物医学、萃取、传感器等多个领域表现出良好的应用潜力。
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MnO_(2)MWCNTsGOPANI复合电极材料的制备及其电化学性能的研究
第37卷第3期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版） Vol.37,No.3 2021年5月 Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition) May,2021MnO2/MWCNTs/GO/PANI复合电极材料的制备及其电化学性能的研究戚杨，江姗姗，杨铁金＊（齐齐哈尔大学 化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161000）摘要：采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯，并通过原位聚合法将二氧化锰修饰的聚苯胺嫁接到多壁碳纳米管作载体的氧化石墨烯上，制备出新型复合电极材料。
使用X射线光电子能谱，扫描电镜及电化学工作站对复合电极材料的形貌、结构进行了研究，通过循环伏安、交流阻抗、循环稳定性测试，表征出复合电极材料的电化学性能，并与未掺杂石墨烯的MnO2/PANI/MWCNTs电极材料进行了对比。
结果表明，引入石墨烯的电极材料的比电容有较大的提升，达到了1365F‧g-1。
关键词：石墨烯；超级电容器；原位聚合；二氧化锰；聚苯胺中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2021)03-0035-05近年来，随着新能源技术的不断发展，电能作为一种清洁能源在逐步替代传统的化石能源，生产生活中对高性能储能器件的需求日益增加，而储能技术的研发和创新就成了新能源技术发展的重中之重，因此，超级电容器作为一种高性能的新型储能器件愈发受到重视并受到广泛的研究。
超级电容器（supercapacitor），又名电化学电容器（electrochemical capacitor），是一种介于传统电容器与电池之间的电源，兼具两者的优点[1]。
与传统电容器相比，超级电容器具有更高的能量密度；与传统电池相比，超级电容器具有更高的功率密度、充放电性能和循环稳定性。
并且超级电容器的工作温度范围更广，可以在更极端的环境中使用[2]。
因此，超级电容器在工业控制、电力、交通运输、智能仪表、国防、通信、新能源等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力[3-4]。
石墨烯的制备及其电化学性能
石墨烯的制备及其电化学性能一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列构成的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功制备以来，便因其独特的结构和优异的性能引发了全球范围内的研究热潮。
石墨烯以其高导电性、高热导率、高强度以及良好的化学稳定性等特性，在材料科学、电子学、能源科学等多个领域展现出巨大的应用潜力。
特别是在电化学领域，石墨烯因其高比表面积、优良的电子传输性能和化学稳定性，被广泛应用于电极材料、储能器件以及电化学传感器等方面。
本文旨在全面介绍石墨烯的制备方法及其电化学性能。
我们将概述石墨烯的基本结构和性质，以及其在电化学领域的应用背景。
随后，我们将详细介绍石墨烯的几种主要制备方法，包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等，并分析各方法的优缺点及适用范围。
接着，我们将重点探讨石墨烯在电化学领域的应用，包括其在锂离子电池、超级电容器、燃料电池等储能器件中的性能表现，以及其在电化学传感器中的应用。
我们将对石墨烯的电化学性能进行综合分析，展望其在未来电化学领域的发展趋势和应用前景。
二、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法多种多样，根据其制备原理，主要可以分为物理法和化学法两大类。
物理法：物理法主要包括机械剥离法、取向附生法和碳纳米管切割法等。
机械剥离法是最早用来制备石墨烯的方法，其原理是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料。
取向附生法则是在一定条件下，使碳原子在金属单晶（如Ru）表面生长出单层碳原子，然后利用金属与石墨烯之间的弱相互作用，将石墨烯与金属基底分离。
碳纳米管切割法则是通过切割碳纳米管得到石墨烯纳米带。
化学法：化学法主要包括氧化还原法、SiC外延生长法、化学气相沉积法（CVD）等。
氧化还原法是通过将天然石墨与氧化剂反应，得到氧化石墨，再将其进行热还原或化学还原，从而制备出石墨烯。
SiC外延生长法是在高温条件下，使SiC中的Si原子升华，剩余的C 原子在基底表面重新排列，形成石墨烯。
聚吡咯／氧化石墨复合材料的电化学电容性能
情， 而氧 化石 墨作 为大规模 合成 石墨 烯 的战略起 点 ， 到 了广 泛 的重视 ． 中 ， 导 电聚合 物 与氧 化石 墨 复 受 其 将 合， 形成 特殊性 质 的“ 插层 化合物 ” 的研 究也 得 以开 展 “ ． ］ 目前 ， 于聚 吡咯／ 对 氧化石 墨复合 物 的电化 学 电 容性能研 究报 道不 多 ， 由于聚 吡咯／ 氧化石 墨 复合 物还 可 进一 步 还 原成 导 电性 更 强 的聚 吡 咯／ 原氧 化 石 还
１ ． 出 ， １ ａ 压制成 片． ２ｈ 取 于 ０ＭＰ 下
以制备 的 电极 片为 工作 电极 ， 片作 为对 电极 ， 和 甘汞 电极 作 为 参 比 电极构 成 三 电极 体 系 ， 铂 饱 使用 电 化 学工作 站 （ ＣＨＩ６ Ｃ， ６ Ｏ 上海 辰华 ） 以 １ｍｏ ・ Ｈ Ｓ ， ｌ Ｌ Ｏ 为电解液 ， 置 电压 范 围为 一０ ２ ． 分别 设 ． ～０ ８Ｖ， 测 试 在扫速 为 ５ １ ，０ ５ ，ｏ ２ ，０ｍＶ ・ 时的循 环伏安 （ Ｖ） Ｓ ｃ 曲线 、 电流密度 分别 为 ０ ５ １ ２ ５Ａ ・ 的循环 ． ，， ， ｇ
１ 实验 部 分
１ １氧 化 石 墨 的 制 备 ．
取一 定 量 石 墨 粉 （ 碳 量 不 低 于 ９ ， ２ ０ 目） ８ ９ 浓 硫 酸 混 合 ， 搅 拌 边 加 入 ９ ｇ 含 ８ 一 ０ 与 ０ ｍＬ ８ 边 ＫＭｎ 反应 ３ ｉ ， 后于 ３ Ｏ ， ０ｒ ｎ 然 ａ ５℃下 恒温搅 拌 ２ｈ 将 反应 物冷却 至 ０ ． ～３℃， 拌下 缓慢加 入 １ ０ｍＬ去 搅 ０ 离 子水 ， 再加 入适量 ３ Ｈ （ 溶 液 ， ０ ） 得到 亮 黄 色悬 浊 液． 产物 抽 滤 ， １ 的 ＨＣ 溶 液 洗 涤后 ， ６ 将 用 ０ １ 于 ｏ
《石墨烯-导电聚合物复合材料的制备及其电化学性能的研究》
《石墨烯-导电聚合物复合材料的制备及其电化学性能的研究》石墨烯-导电聚合物复合材料的制备及其电化学性能的研究摘要：本文研究了石墨烯与导电聚合物复合材料的制备方法，并对其电化学性能进行了深入探讨。
通过合理的制备工艺，我们成功制备了具有优异导电性能和电化学稳定性的复合材料。
本文详细描述了实验过程、结果及分析，以期为相关研究提供有益的参考。
一、引言随着科技的发展，石墨烯因其独特的物理和化学性质，在材料科学领域引起了广泛的关注。
石墨烯与导电聚合物的复合材料因其在电化学储能、传感器、电磁屏蔽等领域的潜在应用价值，成为了研究的热点。
本文旨在研究石墨烯/导电聚合物复合材料的制备方法及其电化学性能。
二、实验材料与方法1. 材料准备实验所需材料包括石墨烯、导电聚合物（如聚吡咯、聚苯胺等）、溶剂（如乙醇、水等）以及其他添加剂。
2. 制备方法采用溶液混合法或原位聚合法制备石墨烯/导电聚合物复合材料。
具体步骤包括：将石墨烯与导电聚合物在溶剂中混合，并通过搅拌或超声处理使两者充分混合；然后进行聚合反应，得到复合材料。
三、电化学性能测试通过循环伏安法（CV）、恒流充放电测试、电化学阻抗谱（EIS）等方法，对制备的复合材料进行电化学性能测试。
四、结果与讨论1. 制备结果通过优化制备工艺，我们成功制备了具有良好分散性和导电性能的石墨烯/导电聚合物复合材料。
SEM和TEM结果表明，石墨烯与导电聚合物在纳米尺度上实现了良好的复合。
2. 电化学性能分析（1）循环伏安法（CV）测试：复合材料在充放电过程中表现出稳定的电化学行为，无明显极化现象。
（2）恒流充放电测试：复合材料具有较高的比电容和优异的循环稳定性。
在一定的电流密度下，其比电容随循环次数的增加而略有增加，表现出良好的充放电性能。
（3）电化学阻抗谱（EIS）分析：复合材料的内阻较小，电子传递速度快，表现出优异的电导率和良好的电荷传输能力。
通过分析不同因素（如石墨烯含量、聚合条件等）对电化学性能的影响，我们发现合理的复合比例和制备工艺是获得高性能复合材料的关键。
氧化石墨烯研究报告
石墨烯调研报告（氧化石墨烯应用）石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本结构单兀。
它具有咼电导、咼热导、咼硬度和咼强度等奇特的物理、化学性质，在电子、信息、能源、材料和生物医药领域有广阔的应用前景。
但是石墨烯由于强大的范德华力具有疏水性和易团聚的特点，限制了其广泛应用。
氧化石墨烯的出现正好解决了上述问题，它是石墨烯的派生物，与石墨烯的结构大体相同.只是在一层碳原子构成的二维空间无限延伸的基面上连接有大量含氧基团，平面上含有-OH和C-O-C，而在其片层边缘含有C = O和COOH。
与石墨烯相比，氧化石墨烯有更加优异的性能，其不仅具有良好的润湿性能和表面活性，而且能被小分子或者聚合物插层后剥离，在改善材料的热学、电学、力学等综合性能方面发挥着非常重要的作用。
有不少专家学者对氧化石墨烯的制备及应用进行了深入研究，其中氧化石墨烯复合材料的发展十分迅速，进一步拓展了氧化石墨烯的应用领域。
1氧化石墨烯的制备目前，氧化石墨烯的制备工艺相对成熟，比较传统的化学方法主要有Brodie 法、Staudenmaier法、Hummers法，现今仍在沿用，只是在各方法基础上做了略微改进。
这些方法的制备原理都是将石墨在强酸和少量强氧化剂的共同作用下形成1阶的石墨层间化合物，然后此层间化合物在过量强氧化剂的作用下继续发生深度液相氧化反应，水解后得到氧化石墨，最后通过超声或者长时间搅拌氧化石墨和水的混合物即可获得氧化石墨烯，产物的氧化程度及合成T艺与反应时间有关，可以通过C、O的原子比进行衡量。
Brodie法和Staudenmaier法氧化程度高，但反应过程中会产生CI02、N02或者N2O4等有害气体且反应时间长，而Hummers法反应时间短，无有毒气体CI02产生，安全性较高，因而成为制备氧化石墨烯普遍使用的方法。
但是此反应过程中需控制的工艺因素较多，过量的高锰酸离子会造成潜在的污染，因而需要用H2O2进行处理，并加以水洗和透析。
化学氧化法合成聚吡咯工艺条件优化及电化学性能
ｃ ｅ ｃ ｅ ｔ ｅ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ． Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｎ ｉａｅ ｔ ａ ｈ ｒ ｅ ｆ ｐ ｉ ｒ ｄ ｓ ｃ ｎ ａ ｙ ｉ ａ ｔｆ ｃｏ ｓ ｏ ｈ ｍｉａ ｔ ｓ ｗ ｒ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｌ ｓ ｈ ｅ ｕ ｔ ｉ ｄ ｃ ｔ ｈ ｔｔ ｅ ｏ ｄ ｒ ｏ ｒ ｓ ｍａｙ ａ ｅ ｏ ｄ ｒ ｍｐ ｃ ａ ｔｒ ｎ ｎ
摘
要： 采用化学氧化法合成粉末状导 电高分子材料聚 吡咯（ Ｐ ） 研究氧化剂浓度 、 Ｐｙ ， 氧化剂种类 、 应温度及反应 时间对 反
Ｐｙ Ｐ 电导率的影 响 ， 通过正交设计思路 ， 优化合成工 艺条 件 ， 并研究其 电化学活性． 果表明 ， 结 合成导 电高分子材料 Ｐ ） Ｐｒ 的影
Ａ ｓｒｃ ： ｏ ｄ ｒ ｃｎ ｕｔ ｅｐ ｌ ｅ ａｅｉ ｏ ｐ ｒＡ ｐｗ ｅｙ ｏ ｄ ｃ ｖ ｏ ｍ ｒｍ ｔ ａ ｐｌ ｙｒ ｅ Ｐ ｙ ａ ｙ ｔｅｉ ｄ ｗｔ ｃ ｅ ｃ ｘ ｔ ｅ ｉ ｙ ｒｌ ｙ ｏ ｚ ｈ ａ ｄｉ
ｍｅｈ ｄ，ａ ｔ ｏ ｄ ｃ ｉｉ ｓｅ ｅ ｔｄ ｂ ｏ ａ ｅ ｏ ｘｄａ ｔ ｙ ｆｏ ｉ ａ ，ｒ ａ ｔ ｎ ｔｍｐｅ ａｕ ｅ ａ ｄ ｐ ｌ － ｔｏ ｎｄ ｉｓ ｃ ｎ ｕ ｔ ｔ ｗａ ｆ ｃｅ ｙ ｄ ｓ ｇ ｆｏ ｉ ｎ ，ｔｐｅ ｏ ｘ ｄ ｎｔ ｅ ｃｉ ｅ ｖｙ ｏ ｒ ｔ ｒ ｎ ｏｙ ｍｅ ｉａ ｉｎ ｔ ．Ｔｈ ｙ ｔ ｅ ｉ ｒ ｃ ｓ ｓ ｏ ｔｍｉｅ ｙ ｔ ｅ ｏ ｔ ｏ ｏ ａ ｅ ｉ ｎ ｔｏ ． Ｆｕ ｔ ｅ ｍｏ ｅ，ｔ ｅ ｅ ｅ ｔｏ ｒｚ ｔ ｉ ｏ ｍｅ ｅ ｓ ｎ ｈ ｓｓ ｐ ｏ ｅ ｓ ｗａ ｐ ｉ ｚ ｄ ｂ ｈ ｒｈ ｇ ｎ ｄ ｓｇ ａｉ ｎ ｌ ｒｈ ｒ ｒ ｈ ｌｃｒ —
复合材料在超级电容器电极材料中的应用
Xu Bo1, Jin Linghua2
（1.Zhuzhou Times New Material Co., Ltd., Zhuzhou 412007; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang 421001）
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氧化石墨烯/聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能石琴门春艳李娟*(新疆大学化学化工学院,乌鲁木齐830046)摘要:以FeCl 3-甲基橙(MO)为模板,通过化学原位聚合法成功制备出氧化石墨烯/聚吡咯(GO/PPy)插层复合材料.采用X 射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等测试技术对复合材料进行物性表征.此外,利用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗测试方法对复合材料在两种不同水系电解液(1mol ·L -1Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4)中的电化学性能进行了研究.结果显示:氧化石墨烯和聚吡咯表现出各自优势并发挥协同作用,使得GO/PPy 插层复合材料在中性和酸性电解液中都显示出可观的比电容.电流密度为0.5A ·g -1时,GO/PPy 插层复合材料在Na 2SO 4和H 2SO 4电解液中的比电容分别为449.1和619.0F ·g -1,明显高于纯PPy 的比电容.经过800次循环稳定性测试后,两种不同电解液中,复合材料初始容量的保持率分别为92%和62%.其中酸性电解液体系中初始容量更大,而中性溶液中具有更稳定的循环性能.关键词:氧化石墨烯;聚吡咯;插层复合物;电极材料;电化学电容性能中图分类号:O646Preparation and Electrochemical Capacitance Properties of GrapheneOxide/Polypyrrole Intercalation CompositeSHI QinMEN Chun-YanLI Juan *(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,P .R.China )Abstract:Graphene oxide/polypyrrole (GO/PPy)intercalation composite was successfully prepared via in-situ chemical oxidative polymerization of pyrrole monomers by using methyl orange (MO)as a template agent.The morphology and microstructure of the composite were characterized by X-ray diffraction (XRD)analysis,Fourier transform infrared (FTIR)spectroscopy,scanning electron microscopy (SEM),and transmission electron microscopy (TEM).In addition,the electrochemical properties of the composite material were investigated by cyclic voltammetry (CV),galvanostatic charge/discharge and electrochemical impedance spectroscopy techniques in two different aqueous electrolytes (1mol ·L -1Na 2SO 4and 1mol ·L -1H 2SO 4).The results indicated that the GO/PPy intercalation composite displayed considerable specific capacitance in both neutral and acid electrolytes,which is attributed to taking full advantage of the superior properties and synergy of graphene oxide and polypyrrole.The GO/PPy intercalation composite exhibited the specific capacitance of 449.1and 619.0F ·g -1in the Na 2SO 4and H 2SO 4electrolytes,respectively,at a current density of 0.5A ·g -1.This is significantly higher than the corresponding specific capacitance of pure PPy.After 800cycling test,the specific capacitance of the composite remained about 92%and 62%of the initial capacitance in the two different electrolytes,respectively.A higher initial capacitance was obtained in the acidic electrolyte,but the composite showed better electrochemical cyclic stability in the neutral electrolyte.[Article]doi:10.3866/PKU.WHXB201306031物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin .2013,29(8),1691-1697August Received:March 8,2013;Revised:June 3,2013;Published on Web:June 3,2013.∗Corresponding author.Email:ljpanpan@;Tel:+86-132********.The project was supported by the Doctoral Scientific Research Starting Foundation of Xinjiang University,China (BS110112),Urumqi Science and Technology Project,China (H101133001),and National Natural Science Foundation of China (21262035).新疆大学博士启动基金项目(BS110112),乌鲁木齐科技计划项目(H101133001)及国家自然科学基金(21262035)资助ⒸEditorial office of Acta Physico-Chimica Sinica1691Vol.29 Acta Phys.-Chim.Sin.20131引言超级电容器是一种新型的能量存储装置,与蓄电池和传统电容器相比,具有容量大、功率密度大、使用寿命长、经济环保等优点,广泛应用于通信、电动汽车、军事和工业等众多领域.1-3目前,常用的电极材料有:具有高比表面积的碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料.导电聚合物具有比电容高、电子导电性好和内阻小等优点引起了国内外学者的广泛关注.其中,聚吡咯(PPy)因制备过程简单、成本低、电导率高、电化学可逆性好被普遍认为成最具有应用前景的电极材料之一.4,5但是,单纯的PPy机械性能较差,在反复充放电的过程中,PPy链的体积不断收缩膨胀,分子链的结构被破坏致使其导电性能逐渐减弱,表现出较差的循环性能.6-8为了克服这一缺点,可将PPy与碳材料复合以提高其电化学性能,如:碳纤维、碳纳米管和石墨烯等.石墨烯具有比表面积大、高导电性、循环稳定性和机械性能好等优点,用于超级电容器电极材料有其独特的优势.9,10但由于石墨烯片层受范德华力的影响容易发生团聚或叠加,11导致其表面积大大降低,同时,也不利于聚合物单体进入层间形成复合材料.然而,氧化石墨烯(GO)是石墨烯的特殊衍生物,其表面有大量的含氧官能团(环氧基、羧基和羟基等),这些亲水基团使GO具有较好的水溶性,能以单层片体的形式分散在水中.12,13因此,GO/PPy 复合材料引起部分研究者们的兴趣,如:张海英等12用原位聚合法制备GO/PPy复合物在电流密度为0.5A·g-1下的比电容为401.5F·g-1,1200圈循环稳定性测试后,容量保持率为46.4%,有待改善.Chang 等14用电化学法合成GO/PPy复合膜,在1A·g-1下的比电容为289F·g-1,但未研究其循环性能.因此,本文选用FeCl3和甲基橙(MO)在水溶液中形成的纤维状络合物(FeCl3-MO)为自降解模板,15采用化学原位聚合法使吡咯单体在GO层间交错聚合,形成插层结构的复合材料,并分析了插层结构的形成过程.此外,进一步地研究了GO/PPy插层复合材料作为超级电容器的电极材料在两种不同水系电解液(1mol·L-1Na2SO4和1mol·L-1H2SO4)中的电化学行为,探讨了复合材料的循环稳定性.2实验部分2.1试剂与仪器甲基橙(天津市恒兴化学试剂制造有限公司,分析纯),无水三氯化铁(沈阳市新西试剂厂,纯度≥99%),无水硫酸钠(天津市河东区红岩试剂厂,纯度≥99%),浓硫酸(天津市风船化学试剂科技有限公司,纯度为95%-98%),无水乙醇(天津市百世化工有限公司,纯度≥99.7%),丙酮(天津基准化学试剂有限公司,纯度≥99.5%),吡咯(Py)单体(Aladdin化学药品公司,分析纯)重新蒸馏后,在0°C下存放备用.采用日本Mac M18ce型X射线衍射仪进行XRD 测定,实验条件:Cu Kα辐射(λ=0.154056nm),管电压40kV,管电流100mA,扫描范围2θ为10°-80°,扫描速率10(°)·min-1;用德国Leo1430VP型扫描电子显微镜和日本Model Hitachi H-600,200kV透射电镜观察样品的形貌.工作电极在上海辰华仪器有限公司CHI660A电化学工作站做循环伏安、恒流充放电性和交流阻抗测试,在武汉金诺公司Land电池测试仪(Land,CT2001A)上进行恒电流充放电性能测试. 2.2GO/PPy复合材料的制备采用改进的Hummers法16制备氧化石墨烯(GO),备用.准确称量20mg氧化石墨烯置于30mL 去离子水中,超声波分散处理2h,加入0.049g甲基橙,超声波分散处理1h,随后加入0.486g FeCl3,再超声波分散处理30min,在搅拌下滴加0.201g吡咯单体(GO与吡咯单体的质量比为1:10),于0-5°C下静置24h后,解冻,抽滤得黑色沉淀,用去离子水、丙酮、无水乙醇反复洗涤多次.60°C下真空干燥24 h后取出,充分研磨,即得GO/PPy复合材料.纯聚吡咯的制备方法同上,不加入氧化石墨烯.2.3GO/PPy电极的制备及电化学表征将1mg样品分别与0.3mg乙炔黑和1滴聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合均匀制成有一定粘度的糊状,均匀涂覆在石墨电极上.50°C下,干燥过夜.以样品的电极为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)、铂电极分别为参比电极和对电极,1mol·L-1Na2SO4和1 mol·L-1H2SO4为两种电解液形成三电极体系,在CHI660A电化学工作站做循环伏安、首次恒流充放电性和交流阻抗测试,在Land电池测试仪上进行恒流充放电循环性能测试.Key Words:Graphene oxide;Polypyrrole;Intercalation composite;Electrode material;Electrochemical capacitance property1692石琴等:氧化石墨烯/聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能No.83结果与讨论3.1样品的XRD 表征图1为PPy,GO 和GO/PPy 复合材料的XRD 图.从纯PPy 的XRD 谱图中可以看到,2θ为15°-30°的区域内有一个宽峰,显示PPy 是无定形结构.而在GO 的XRD 谱图中,在2θ为11.28°处出现了GO 特征衍射峰,17,18对应于(001)晶面,片层间距约为0.78nm,远大于石墨的片层间距(0.34nm),这是由于在GO 层上、层间及边缘存在大量的含氧官能团(羧基、羟基及环氧基等),使得GO 的层间距增大.GO 与PPy 复合后,由于复合物中GO 含量低,而且在超声波的作用下,间距本就较宽的GO 片层进一步剥离开来,导致2θ=11.28°的衍射峰弱到几乎消失并继续向小角度方向移动.此外,GO/PPy 复合物在2θ=15°-30°之间出现一个宽峰,与纯PPy 相比,峰型变得宽而弱,表明无定形的PPy 已成功插层到剥离开的GO 层间形成复合物.3.2样品的FTIR 分析图2是样品PPy,GO 和GO/PPy 的红外光谱图.从PPy 的谱图可以看出:在1541和1448cm -1附近的吸收峰为吡咯环的特征峰,分别归属于聚吡咯环的对称伸缩振动和非对称伸缩振动,1301和1031cm -1附近的吸收峰分别对应于C －N 键的伸缩振动和C －H 键的面内弯曲振动,886和780cm -1吸收峰归属于吡咯环的C －H 键的面外弯曲振动,在1161cm -1有较强的吸收峰是PPy 掺杂态的特征峰.19在GO 的谱图中3420cm -1处附近有很强的宽吸收峰,应为GO 表面含氧官能团中O －H 伸缩振动峰,1721和1400cm -1分别对应于羧基的C ＝O 伸缩振动和C －OH 官能团中的O －H 变形振动峰,1069cm -1对应于环氧官能团中C －O 伸缩振动吸收峰,此外,在1632cm -1处有明显的吸收峰可以归因于石墨在氧化的过程中吸收了水分子.20这些特征峰表明氧化石墨烯中存在多种含氧基团(极性基团),如:羧基、羟基、羰基、环氧基等.在GO/PPy 复合材料的谱图中,上述PPy 和GO 的特征峰均存在,峰形相似,而GO 谱图中的C ＝O 伸缩振动峰(1721cm -1)明显变弱且发生红移,与1632cm -1处的吸收峰叠加后形成复合物谱图中1640cm -1处的吸收峰,表明GO 层间的－COOH 与吡咯中的－NH 形成了氢键.3.3GO/PPy 插层复合材料的微观形貌及形成过程分析据文献报道,用Hummers 法制备的GO 通常是单层或数层结构,21,22单层石墨烯表面有一定程度的褶皱,而随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小.23图3(a,c)为GO 、GO/PPy 复合物的SEM 图,图3(b,d)为GO 、GO/PPy 复合物的TEM 图.从图3a 可以看出,GO 的形貌为卷曲、褶皱,表面有许多纹络的片层结构,与文献16相符.与PPy 复合之后(图3c)可以清楚地看到,复合物的形貌保持了GO 的片状结构,片层明显增厚且表面疏松、粗糙、有很多凸起,这是由于PPy 在GO 层间及表面附着所致.为了更好地分析GO/PPy 复合物的结构,我们对样品做了TEM 分析.图3b 展示了氧化石墨烯典型的片层结构,颜色较浅,但可以看出该氧化石墨烯片是数层堆叠在一起,并非以单层形式存在.从GO/PPy 复合材料的TEM(图3d)中可以明显看出图中有深色和浅色区域,浅色区域仍具有片层形貌为GO,深色区域为交织的PPy 链状结构,被GO 紧密包裹.分析GO/PPy 插层复合物这种结构的形成原因和过程可能是:GO 在超声波作用下先剥离成纳米片层,而MO 与FeCl 3在超声波作用下形成了纤维状络合物(MO-FeCl 3),与GO 层间的大量含氧官能团产生图1PPy 、GO 及GO/PPy 复合材料的XRD 图Fig.1XRD patterns of PPy,GO,and GO/PPycomposite2PPy 、GO 和GO/PPy 复合材料的FTIR 谱图Fig.2FTIR spectra of the PPy,GO,and GO/PPycompositeVol.29Acta Phys.-Chim.Sin.2013较强的相互作用力,有利于MO-FeCl 3插入GO 层间.接着Py 单体在此纤维状络合物表面附着并以此为氧化剂和模板发生聚合反应,沿着模板生长,形成一维交错的PPy 链状结构,同时,MO-FeCl 3自降解,最终制得GO/PPy 插层复合材料.整个过程示于图4.3.4电化学测试电极材料的电化学性能不仅取决于材料本身的导电性、多孔性,还取决于电解液的性能.影响电解液选择的主要因素有:电阻、电容、稳定的电位窗口以及制造成本等.与有机电解液相比,水系电解液用于电容器安全性高、成本较低且无污染.本文选用1mol ·L -1Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4溶液作为超级电容器的电解液不仅对环境友好、成本低,且与有机电解液相比具有较好的循环性能.图4GO/PPy 插层复合材料形成过程示意图Fig.4Schematic of the formation process of GO/PPy intercalationcomposite图3GO (a,b)和GO/PPy (c,d)的SEM (a,c)和TEM (b,d)图Fig.3SEM (a,c)and TEM (b,d)images of GO (a,b)and GO/PPy (c,d)1694石琴等:氧化石墨烯/聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能No.8循环伏安分析是研究材料电化学特性的一个重要手段,图5为GO/PPy 插层复合材料在1mol ·L -1Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4溶液中不同扫描速率下的循环伏安曲线图,电位区间分别为-0.6-0.4V 和-0.2-0.7V .从图中可以看出,不同扫描速率下,GO/PPy 复合材料在两种电解液中的循环伏安曲线都呈现出类似的“矩形”,具有对称性,说明该复合材料在两种电解液中均保持了良好的电化学特性且在电极表面有很好的电荷传递过程.但是,在1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中,当扫描速率增大到100mV ·s -1时循环伏安曲线的“矩形”状略有变形,这是由于复合材料电极内部的阻抗使离子与电极间的相互作用减弱造成的,而这一影响在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中要小得多.此外,相同扫描速率下,复合材料在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中的循环伏安曲线的积分面积明显大于在1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中的积分面积,表明复合材料在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中有更大的电化学活性.图6是电流密度为1A ·g -1时,纯GO 、纯PPy 和GO/PPy 复合材料在两种不同电解液中的恒电流充放电曲线图,三者的质量比电容C m 可根据下列公式计算得到:C m =I ×Δt /(ΔV ×m )式中:C m 为复合电极材料的质量比电容(F ·g -1);m 是电极材料的质量(g);I 为放电电流(A);Δt 为放电时间(s);ΔV 是电压区间(V).在1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中GO 、PPy 和GO/PPy 复合材料的比电容分别为14.8、249.6和310.9F ·g -1,而在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中三者比电容分别为17.8、378.4和509.1F ·g -1.在两种不同电解液中,复合材料的比电容均远大于纯GO 的比电容,也大于纯PPy 的比电容.由于GO 在复合物中添加的量很少,可见GO 对复合材料总容量的贡献非常小,但其通过提高材料的导电性和分散性,增加了PPy 的利用率从而提高材料的比容量和循环稳定性.图7是复合材料分别在两种电解液中不同电流密度下的首周恒电流充放电曲线图.由图可以看出,在整个充放电电位区间内,电位和时间都保持图5GO/PPy 复合材料在两种电解液中不同扫描速率时的循环伏安曲线图Fig.5CV profiles of GO/PPy composite in two electrolytes at different scan rates(a)1mol ·L -1Na 2SO 4,(b)1mol ·L -1H 2SO46纯GO 、纯PPy 和GO/PPy 复合材料在两种电解液中的恒电流充放电曲线Fig.6Galvanostatic charge/discharge curves of pure GO,pure PPy,and GO/PPy composite in two electrolytes(a)1mol ·L -1Na 2SO 4,(b)1mol ·L -1H 2SO4Vol.29Acta Phys.-Chim.Sin.2013了很好的线性关系,图形基本对称,表明复合材料在两种电解液中的电化学反应具有良好的可逆性.当电流密度为0.5、1、2和3A ·g -1时,GO/PPy 复合材料在1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中的比电容分别为449.1、310.9、259.2和238.8F ·g -1,在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中的比电容分别为619.0、509.1、435.0和392.3F ·g -1.硫酸电解液中的比电容稍大于硫酸钠电解液中的,与循环伏安测试结果相符.其原因为:H +离子在充放电过程中参与PPy 掺杂与去掺杂的氧化还原反应,表现出更明显的赝电容行为,24,25如式(1)所示.图8为GO/PPy 插层复合材料在1mol ·L -1Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4电解液中的交流阻抗图谱,测试的频率范围为10-2-105Hz.Nyquist 曲线由阻抗的实部(Z')和虚部(Z'')组成.在高频区,通过阻抗曲线与实轴的交点可以估算出复合材料电极的溶液电阻(R s ),半圆表示电荷在电极材料中传递过程,即电荷传递电阻(R ct ),低频区45°的斜线部分是由电解液中的离子向电极表面扩散时所引起的Warburg 阻抗.26,27由图8可知,GO/PPy 复合材料在1mol ·L -1H 2SO 4和1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中的R s 值分别约为1.0和1.6Ω,表明复合材料在H 2SO 4溶液中的导电性和电容性能更好,与恒电流充放电测试结果相符.从右上角的内附图中可以看到,与Na 2SO 4电解液相比,复合材料电极在H 2SO 4电解液中的Warburg 区域较小,说明在H 2SO 4电解液中,电极/电解液界面的电荷传递电阻小,电荷传递速率快.随着频率的降低,曲线b 与实轴的夹角更接近90°,体现出复合材料电极在H 2SO 4电解液中的电化学行为更接近理想的电容行为.图9为GO/PPy 插层复合材料在1mol ·L -1Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4电解液中,0.5A ·g -1电流图7GO/PPy 复合材料在不同电流密度下的恒电流充放电曲线图Fig.7Galvanostatic charge/discharge curves of GO/PPy composite at different current densitieselectrolyte:(a)1mol ·L -1Na 2SO 4;(b)1mol ·L -1H 2SO48GO/PPy 复合材料在两种电解液中的交流阻抗图Fig.8AC impedance plots of GO/PPy composite in twoelectrolytes(a)1mol ·L -1Na 2SO 4;(b)1mol ·L -1H 2SO49GO/PPy 复合材料在两种电解液中的循环性能图Fig.9Cycle properties of GO/PPy composite in twoelectrolytes(a)1mol ·L -1Na 2SO 4;(b)1mol ·L -1H 2SO41)1696石琴等:氧化石墨烯/聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能No.8密度下的循环寿命图.由图可知,虽然GO/PPy复合材料在1mol·L-1H2SO4电解液中具有更好的电化学活性和更大的初始容量,但经过800次循环之后,复合材料电极的比电容保持了初始电容的62%,明显低于在Na2SO4电解液中达初始容量92%的容量保持率.与Na2SO4电解液相比,复合材料在H2SO4电解液中的比电容衰减较快,原因可能为:在酸性电解液中,PPy氧化(p-型)掺杂态的还原(脱掺杂)和再氧化(掺杂)伴随着H+的嵌入和脱出,此过程使GO/PPy 插层结构不断膨胀和收缩,部分PPy可能从GO层间脱出,从而致使复合材料的容量损失较大.与文献12,28报道相比,复合材料在两种电解液中比电容的保持率均显著高于纯PPy,表明复合氧化石墨烯有效地改善了材料的循环稳定性.4结论本文以FeCl3-MO为自降解模板,采用原位聚合法成功制备出GO/PPy插层复合材料.研究了复合材料在两种不同水系电解液(1mol·L-1Na2SO4和1 mol·L-1H2SO4)中的电化学电容行为.电流密度为0.5A·g-1时,复合材料在1mol·L-1Na2SO4和1mol·L-1H2SO4电解液中的比电容分别为449.1和619.0 F·g-1,经过800次循环稳定测试后,比容量保持率分别为92%和62%.测试结果表明,吡咯单体在GO层间交错聚合,阻碍了GO层与层间的堆叠,有利于充放电过程中离子和电子的传输,从而提高复合材料的比电容.同时,氧化石墨烯的加入能够缓解聚吡咯链在多次充放电过程中的膨胀和收缩,改善其循环稳定性.两者有效地发挥了各自优势及协同作用,展现出复合材料良好的电化学性能.References(1)Snook,G.A.;Kao,P.;Best,A.S.J.Power Sources2011,196,1.doi:10.1016/j.jpowsour.2010.06.084(2)Wang,G.P.;Zhang,L.;Zhang,J.J.Chem.Soc.Rev.2012,41,797.doi:10.1039/c1cs15060j(3)Wang,J.P.;Xu,Y.L.;Zhu,J.B.;Ren,P.G.J.Power Sources2012,208,138.doi:10.1016/j.jpowsour.2012.02.018(4)Wang,J.P.;Xu,Y.L.;Wang,J.;Du,X.F.Synthetic Metals2011,161,1141.doi:10.1016/j.synthmet.2011.01.011(5)Zhang,D.C.;Zhang,X.;Chen,Y.;Yu,P.;Wang,C.H.;Ma,Y.W.J.Power Sources2011,196,5990.doi:10.1016/j.jpowsour.2011.02.090(6)Zhu,J.B.;Xu,Y.L.;Wang,J.;Wang,J.P.Acta Phys.-Chim.Sin.2012,28,373.[朱剑波,徐友龙,王杰,王景平.物理化学学报,2012,28,373.]doi:10.3866/PKU.WHXB201112021(7)Sahoo,S.;Nayak,G.C.;Das,C.K.Macromol.Symp.2012,315,177.doi:10.1002/masy.v315.1(8)Li,L.Y.;Xia,K.Q.;Li,L.;Shang,S.M.;Guo,Q.Z.;Yan,G.P.J.Nanopart.Res.2012,14,908.doi:10.1007/s11051-012-0908-3(9)Xu,J.J.;Wang,K.;Zu,S.Z.;Han,B.H.;Wei,Z.X.ACS Nano2010,4,5019.doi:10.1021/nn1006539(10)Xu,C.H.;Sun,J.;Gao,L.J.Mater.Chem.2011,21,11253.doi:10.1039/c1jm11275a(11)Ding,B.;Lu,X.J.;Yuan,C.Z.;Yang,S.D.;Han,Y.Q.;Zhang,X.G.;Che,Q.Electrochimica Acta2012,62,132.doi:10.1016/j.electacta.2011.12.011(12)Zhang,H.Y.;Hu,Z.A.;Zhang,F.H.;Liang,P.J.;Zhang,Y.J.;Yang,Y.Y.;Zhang,Z.Y.;Wu,H.Y.Chinese Journal of AppliedChemisty2012,29,674.[张海英,胡中爱,张富海,梁鹏举,张亚军,杨玉英,张子瑜,吴红英.应用化学,2012,29,674.] (13)Zhu,C.Z.;Zhai,J.F.;Wen,D.;Dong,S.J.J.Mater.Chem.2012,22,6300.doi:10.1039/c2jm16699b(14)Chang,H.H.;Chang,C.K.;Tsai,Y.C.;Liao,C.S.Carbon2012,50,2331.doi:10.1016/j.carbon.2012.01.056(15)Yang,X.M.;Zhu,Z.X.;Dai,T.Y.;Lu,Y.Macromol.RapidCommun.2005,26,1736.(16)Tang,L.H.;Wang,Y.;Li,Y.M.;Feng,H.B.;Lu,J.;Li,J.H.Adv.Funct.Mater.2009,19,2782.doi:10.1002/adfm.v19:17 (17)Feng,X.M.;Li,R.M.;Yan,Z.Z.;Liu,X.F.;Chen,R.F.;Ma,Y.W.;Li,X.A.;Fan,Q.L.;Huang,W.IEEE Transaction onNanotechnology2012,11,1080.doi:10.1109/TNANO.2012.2200259(18)Fan,Z.J.;Kai,W.;Yan,J.;Wei,T.;Zhi,L.J.;Feng,J.;Ren,Y.M.;Song,L.P.;Wei,F.ACS Nano2011,5,191.doi:10.1021/nn102339t(19)Zhang,L.L.;Zhao,S.Y.;Tian,X.N.;Zhao,ngmuir2010,26,17624.doi:10.1021/la103413s(20)Gu,Z.M.;Li,C.Z.;Wang,G.C.;Zhang,L.;Li,X.H.;Wang,W.D.;Jin,S.L.Journal of Polymer Science Part B:PolymerPhysics2010,48,1329.doi:10.1002/polb.v48:12(21)Hummers,W.S.;Offeman,R.E.J.Am.Chem.Soc.1958,80,1339.doi:10.1021/ja01539a017(22)Zu,S.Z.;Han,B.H.J.Phys.Chem.C2009,113,13651.(23)Meyer,J.C.;Geim,A.K.;Katsnelson,M.I.;Novoselov,K.S.;Obergfell,D.;Roth,S.;Girit,C.;Zettl,A.Solid StateCommunication2007,143,101.doi:10.1016/j.ssc.2007.02.047 (24)Tian,Y.;Yang,F.L.;Yang,W.S.Synthetic Metals2006,156,1052.doi:10.1016/j.synthmet.2006.06.023(25)Cai,Y.M.;Qin,Z.Y.;Chen,L.Progress in Natural Science:Material International2011,21,460.doi:10.1016/S1002-0071(12)60083-5(26)Sahoo,S.;Karthikeyan,G.;Nayak,G.C.;Das,C.K.SyntheticMetals2011,161,1723.(27)Zhang,K.;Zhang,L.L.;Zhao,X.S.;Wu,J.S.Chem.Mater.2010,22,1392.doi:10.1021/cm902876u(28)Sahoo,S.;Dhibar,S.;Das,C.K.Express Polymer Letters2012,6,965.doi:10.3144/expresspolymlett.2012.1021697。