魏炳瑞(太原師范學(xué)院化學(xué)系,山西 太原 030031)
21 世紀(jì)科技高速發(fā)展,電池和靜電電容器這兩類儲(chǔ)能器件已經(jīng)不能滿足人們生產(chǎn)、生活的需要。新型的超級(jí)電容器與靜電電容器的功率密度相近,與電池的電荷儲(chǔ)存能力相仿,而且在耐溫和維護(hù)等方面優(yōu)勢(shì)明顯。在材料科學(xué)研究領(lǐng)域,導(dǎo)電聚合物重量較輕、可加工性好,抗腐蝕性好、電子傳輸能力強(qiáng),應(yīng)用前景廣闊,其中聚吡咯以合成簡(jiǎn)單、導(dǎo)電率高、環(huán)境穩(wěn)定性好、電荷貯存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為近來(lái)的研究熱點(diǎn)。聚吡咯的制備方法主要有電化學(xué)聚合法、化學(xué)氧化法、模板法等,其中化學(xué)氧化法工藝簡(jiǎn)單,成本較低,最為常用。本文以水為介質(zhì),高錳酸鉀為氧化劑,利用化學(xué)氧化法制備了系列聚吡咯/二氧化錳復(fù)合材料,并考察了溫度對(duì)其電化學(xué)性能的影響。
(1)實(shí)驗(yàn)主要儀器及試劑 儀器:傅里葉變換紅外光譜儀;X 射線衍射儀;掃描電子顯微鏡;電化學(xué)工作站等。
試劑:吡咯;高錳酸鉀;硫酸鈉;丙酮(均為分析純)等。
(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程 ①聚吡咯/二氧化錳復(fù)合材料的合成釆取2mL 吡咯和200mL 去離子水混合均勻后置于三口燒瓶中,將配置好后用鹽酸酸化過(guò)的0.5mol/L 的高錳酸鉀水溶液用恒壓滴液漏斗緩慢加入到該三口燒瓶中,在特定溫度下用電動(dòng)攪拌器攪拌8h 后停止反應(yīng),將產(chǎn)物抽濾,然后用丙酮和去離子水各洗滌3 次至濾液呈無(wú)色,在60℃的恒溫箱中干燥10h,即得到系列復(fù)合材料。
注:將反應(yīng)溫度0℃、20℃、40℃、60℃下制備的復(fù)合材料編號(hào)為A、B、C、D 樣品。
②復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征釆用美國(guó)賽默飛生產(chǎn)的Nicolet is5 傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征;用日本理學(xué)生產(chǎn)的Rigaku D/max-2500 X 射線衍射儀對(duì)樣品粉末進(jìn)行晶相分析;用日本日立高新生產(chǎn)的SU3500 掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌。
③復(fù)合材料的電化學(xué)性能測(cè)試釆用北京華科普天科技公司生產(chǎn)的CHI660D 型電化學(xué)工作站進(jìn)行復(fù)合材料樣品的電化學(xué)性能測(cè)試。其中循環(huán)伏安和恒流充放電測(cè)試用復(fù)合材料作工作電極,鉑絲作對(duì)電極,Ag/AgCl 電極作參比電極,電解液為0.5mol/L 的硫酸鈉溶液,電勢(shì)范圍為-0.4~0.8V。交流阻抗測(cè)試初始電位為開(kāi)路電勢(shì),測(cè)試頻率范圍為10-2~105Hz,電位穩(wěn)定時(shí)間為2s,其余條件同上。循環(huán)性能測(cè)試采用0.5Ag-1的電流密度對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行恒流充放電,通過(guò)分析放電容量隨循環(huán)次數(shù)的變化來(lái)評(píng)價(jià)電容器容量的穩(wěn)定性。
(1)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征分析 ①I(mǎi)R 測(cè)試釆將樣品的IR譜圖與標(biāo)準(zhǔn)圖庫(kù)對(duì)比,1541cm-1和1449-1出現(xiàn)的吸收峰為聚吡咯環(huán)的C=C 特征吸收峰,1382cm-1和1041cm-1處出現(xiàn)的是聚吡咯環(huán)的C-N 吸收峰,3403cm-1處較強(qiáng)的則為聚吡咯環(huán)的N-H 伸縮振動(dòng)峰,這表明合成的為聚吡咯。
②XRD 測(cè)試釆樣品的XRD 圖中主要衍射峰2θ 為22°,這也表明合成的為聚吡咯,在22.4°、26.3°處出現(xiàn)較寬的衍射峰,則說(shuō)明聚吡咯存在一定程度的晶化。
③SEM 測(cè)試釆對(duì)比不同溫度下制備的樣品的SEM 圖可知,溫度較低時(shí)制備的A 樣品呈不定型結(jié)塊,且隨著溫度增高,B、C樣品的結(jié)塊逐漸減少,60℃時(shí)制備的D 樣品呈球形,顆粒細(xì)致均勻,無(wú)結(jié)塊,單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)的表面積大、空隙多。
(2)復(fù)合材料的電化學(xué)性能測(cè)試分析 ①循化伏安測(cè)試。當(dāng)實(shí)驗(yàn)掃速為30mV s-1時(shí),4 種復(fù)合材料樣品的CV 曲線都接近于矩形,且隨著掃速增大,它們的CV 曲線都發(fā)生變形,但是溫度較低時(shí)制備的A、B、C 樣品變形較大,當(dāng)掃速達(dá)90mV s-1下,D 樣品的CV 曲線仍保持對(duì)稱性較好、較規(guī)則的矩形。
②恒流充放電測(cè)試釆在0.5A g-1的電流密度下對(duì)4 種樣品進(jìn)行恒流充放電測(cè)試,它們的實(shí)驗(yàn)曲線都有一定的對(duì)稱性,D 樣品的尤為明顯,根據(jù)公式可以計(jì)算,其比電容量也最大;增大電流密度后,D 樣品的電容降低趨勢(shì)也最為平緩,說(shuō)明其倍率特性較好。
③交流阻抗測(cè)試釆對(duì)比4 種樣品的交流阻抗曲線,樣品制備的溫度越低,其在高頻區(qū)的Rs 和Rct 越大,即測(cè)試表明D 樣品的擴(kuò)散阻抗最小。
④循環(huán)性能測(cè)試釆將D 樣品在0.5A g-1的電流密度下進(jìn)行了800 次恒流充放電測(cè)試,經(jīng)過(guò)800 次充放電后其比電容衰減到初始值的92.6%,說(shuō)明其循環(huán)穩(wěn)定性能很好。
[1]馬慧榮,李梅,徐清鋼,等.導(dǎo)電聚吡咯的研究進(jìn)展[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(1):14-18.
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