CN102817042A - 一种电活性聚吡咯膜的制备方法 - Google Patents

一种电活性聚吡咯膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种电活性聚吡咯膜的制备方法是配制吡咯单体的水溶液、电解质溶液和质子酸溶液；后将三种溶液混合，在导电基体上利用单极脉冲电聚合法，得到聚吡咯膜电极材料。本发明操作简单，产物易得，无需氧化剂，避免了由氧化剂带入的二次污染。通过该方法制备的聚吡咯膜电极材料在中性溶液中具有较高的充放电稳定性。

Description

一种电活性聚吡咯膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电活性聚吡咯膜的制备方法，具体是一种采用单极脉冲电聚合方法合成高稳定性聚吡咯膜电极材料的制备方法。
背景技术
聚吡咯(PPy)作为一种被广泛研究的导电聚合物，由于具有较高的赝电容和良好的环境稳定性，在超级电容器材料方面具有较高的应用前景。然而聚吡咯在超级电容器的实际应用过程中仍然存在一些问题，主要表现为可逆充放电的过程中，离子不断地置入与迁出会使其结构和微观形貌发生变化，从而明显降低其稳定性。
现有聚吡咯的合成方法主要有化学氧化聚合法和电化学氧化聚合法两种。化学氧化聚合法较为繁复、费时较长，而且生成的聚吡咯具有不熔不溶的特点，采用一般的高分子加工方法很难加工成型，实际应用受到限制。电化学聚合方法因操作简便，条件易控制，合成的聚吡咯导电性和力学性能都比较好而常被采用。传统的电化学聚合方法主要包括恒电压聚合法、恒电流聚合法和循环伏安聚合法，而这些方法都存在一个共同的问题，由于单体、单体自由基以及可溶性低聚物在电极和溶液界面会形成扩散层，进而在吡咯的聚合过程中影响主链的有序增长，从而降低其循环稳定性。而采用脉冲电聚合的方法可以通过反应间歇时间物质的扩散补充，有效的解决这一制约因素。脉冲电聚合主要分为方波脉冲电流聚合法和方波脉冲电压聚合法。方波脉冲电压聚合法[J. Power Sources, 2010, 195 (2) :674-679; J. Phys. Chem. C, 2011, 115 (35) :17612-17620] 在聚合过程中会使已生成的聚吡咯经历反复氧化还原，参杂离子的不断置入/置出导致聚吡咯的结构变化及体积膨胀，使其在实际应用过程中循环稳定性降低。此外聚合物合成过程中消耗的电量中一部分用于已生成膜的氧化还原，因而会降低聚吡咯电聚合的库仑效率。方波脉冲电流聚合法[Synthetic Metals, 2010, 160 (17-18) :1826-1831]制备的聚吡咯膜具有更高电容量和能量密度，在酸性溶液中具有更好的稳定性，且通过控制电量可以有效控制聚合物膜的厚度。然而，随着聚合时间的增加，膜内阻的增大，其响应电压会随之增大，容易使聚合物发生过氧化，进而降低其电活性。
发明内容
本发明通过对现有方波脉冲电聚合法的改进，采用单极脉冲电聚合法制备出有序结构的高稳定性聚吡咯膜材料。避免制备过程中已生成的聚吡咯在氧化态和还原态之间转换引起水解而使其稳定性降低的问题，同时控制聚合过程中的电压避免已生成的聚吡咯发生过氧化以及缺陷结构聚吡咯的生成，其目的是提供一种电活性聚吡咯膜的制备方法。
为了解决上述问题以及实现上述目的，本发明所提供的一种电活性聚吡咯膜的制备方法，包括电化学单极脉冲法，其所述方法是按下列步骤进行的：
(1)将吡咯单体溶于水中配制成吡咯浓度为0.06 ~ 0.6 mol/L的水相溶液A；
(2)将电解质溶于水中配制成电解质浓度为1.2 ~ 3 mol/L的水相溶液B；
(3)将无机酸溶液溶于水中配制成氢离子浓度为0.3 ~ 3 mol/L的水相溶液C；
(4)将上述步骤(1)、(2)和(3) 配制成的水相溶液A、B和C三种溶液等体积混合于反应器中，搅拌均匀；
(5)采用三电极体系，在导电基体上通过单极脉冲电聚合法，控制聚合反应体系温度为5 ~20 ℃；设置脉冲电位为0.7 V；脉冲通断时间比为：5 ~ 50 ms/ 50 ~ 500 ms；脉冲次数为5000 ~ 20000次，获得聚吡吡咯膜电极；
(6)将上述步骤(5)获得的聚吡咯膜电极取出由蒸馏水冲洗，常温干燥，即制得聚吡咯膜电极材料。
基于上述技术方案，进一步地，将吡咯单体溶于水中配成吡咯的浓度进一步选为0.15 ~ 0.3 mol/L的水相溶液A。
将脉冲通断时间比进一步设置为：10 ~ 20 ms/ 100 ~ 200 ms。
将脉冲次数进一步设置为8000 ~ 12000次。
在本发明上述的技术方案中，所采用的电解质是氯化钾、硫酸钾、硝酸钾和高氯酸钾中的一种。
所采用的无机酸是盐酸、硫酸、硝酸和高氯酸中的一种。
所述导电基体是工作电极；惰性电极是对电极；饱和甘汞电极是参比电极。
所采用的导电基体是铂、金、碳纸或石墨棒。
在本发明上述方法中，进一步地，所述单极脉冲电聚合法是在开时间施加一恒定的脉冲聚合电位，关时间控制电流为零，而电极电位则自动保持为开路电位。
实现本发明上述的一种高稳定性聚吡咯的电化学制备方法。与现有技术相比，具体制备工艺简单，影响因素少，重现性好，便于控制。其所具体的优点与积极效果在于：
本方法能够使吡咯在一定的较低的电压范围内聚合，避免已生成的聚吡咯发生过氧化，进而使其保持较高的稳定性。
本方法单极脉冲聚合法能够在脉冲开时间严格控制聚合电位，同时在脉冲关时间自动保持为开路电位，与传统循环伏安聚合法或方波脉冲电压聚合法相比，避免了制备过程中已生成的聚吡咯在氧化态和还原态之间转换引起水解而使其稳定性降低的问题。
本方法制备的聚吡咯膜具有均一、有序的微观形貌和结构，在充放电过程中具有均匀的应力分布和较小的应力集中，有利于提高聚吡咯膜的稳定性。
本方法制备的聚吡咯膜电极材料，能够有效的避免恒电位聚合聚吡咯过程中产生包含-CH2-的质子酸掺杂缺陷结构，进而提高其充放电稳定性。
本方法制备的聚吡咯具有优良的超级电容性能，在中性溶液中可以保持较高的充放电稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例1制备聚吡咯的SEM照片。
图2是恒电压法制备聚吡咯的SEM照片。
图3是本发明实施例1及恒电压法制备聚吡咯的红外图谱。
图4是本发明实施例1及恒电压法制备聚吡咯在1 mol/L KCl溶液中的恒电流充放电稳定性测试图。
具体实施方式
 下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施一种电活性聚吡咯膜的制备方法，具体包括电化学单极脉冲法，其所述制备方法是通过下列步骤进行的：
步骤一、将一定质量吡咯单体溶于水中配成吡咯浓度为0.06 ~ 0.6 mol/L的水相溶液A；
步骤二、将一定质量的电解质溶于水中配成电解质浓度为1.2 ~ 3 mol/L的水相溶液B，其电解质是氯化钾、硫酸钾、硝酸钾和高氯酸钾中的一种，其中以氯化钾为电解质溶液制备的聚吡咯膜性能最好；
步骤三、将一定质量的无机酸溶液溶于水配成氢离子浓度为0.3 ~ 3 mol/L的水相溶液C，其无机酸是盐酸、硫酸、硝酸和高氯酸中的一种，其中以盐酸为无机酸溶液制备的聚吡咯膜性能最好；
步骤四、将上述步骤一、二和三配制成的水相溶液A、B、C三种溶液等体积混合于反应器中，搅拌均匀；
步骤五、采用三电极体系，在导电基体上通过单极脉冲电聚合法制备聚吡咯膜，控制聚合反应体系的温度为5 ~20 ℃，设置脉冲参数为：脉冲电位：0.7 V；脉冲通断时间比为：5 ~ 50 ms/ 50 ~ 500 ms；脉冲次数为5000 ~ 20000次。本方法中采用的三电极体系分别是：导电基体是工作电极；惰性电极是对电极；饱和甘汞电极是参比电极。其中导电基体是铂、金、碳纸或石墨棒基体。其中惰性电极是铂或金。本方法中的单极脉冲电聚合法是在开时间施加0.7 V的恒定聚合电位，关时间控制电流为零，而电极电位则自动保持为开路电位；
步骤六、将上述步骤五制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥，即得到具有高稳定性的聚吡咯膜电极材料；
步骤七、采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的电解质溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试。
本方法中吡咯单体溶于水中配成吡咯浓度进一步为0.15 ~ 0.3 mol/L的水相溶液A，在此浓度范围内制备的聚吡咯膜具有更加优异的性能。
本方法中使用的脉冲通断时间比进一步为：10 ~ 20 ms/ 100 ~ 200 ms，且脉冲次数进一步为8000 ~ 12000次，在此范围内制备的聚吡咯膜具有更加优异的性能。
本发明所提供的一种电活性聚吡咯膜的制备方法，进一步地通过下面的具体实施例作出进一步的说明。
实施例1
(1) 将2.0538 g吡咯单体溶于100 ml的水溶液中配制成0.3 mol/L的吡咯水溶液A；
(2) 将8.9849 g氯化钾溶于100 ml的水溶液中配制成1.2 mol/L的氯化钾水溶液B；
(3) 将2.9200 g浓盐酸溶于100 ml的水溶液中配制成0.3 mol/L的盐酸溶液C；
(4) 分别取10 ml 溶液A、溶液B和溶液C置入反应容器中搅拌均匀；
(5) 采用三电极体系(工作电极为有效面积0.5 cm2的铂片，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极)，控制反应器温度为10 ℃，设置单级脉冲信号分别为：脉冲电位为0.7 V、脉冲通断时间比为10 ms/ 100 ms；脉冲次数为12000次；
(6) 将制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥。其扫描电镜照片如图1，对比图2恒电制备的聚吡咯，本方法制备的聚吡咯具有更加均一、有序的微观形貌结构，有利于聚吡咯在充放电过程中保持较高的稳定性。此外，通过本方法制备聚吡咯的红外光谱如图3，与恒电压相比，本方法制备的聚吡咯在2923和2854 cm-1处表示-CH2-的吸收峰明显减弱，表明本方法可以有效抑制吡咯聚合过程中形成的这一缺陷结构；
(7) 采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的KCl溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试，结果显示其电容量为260 F/g，其循环电稳定性如图4，充放电50000次后仅衰减6.4%。
实施例2
(1) 将1.0269 g吡咯单体溶于100 ml的水溶液中配制成0.15 mol/L的吡咯水溶液A；
(2) 将11.2311 g氯化钾溶于100 ml的水溶液中配制成1.5 mol/L的氯化钾水溶液B；
(3) 将2.92 g浓盐酸溶于100 ml的水溶液中配制成0.3 mol/L的盐酸溶液C；
(4) 分别取10 ml 溶液A、溶液B和溶液C置入反应容器中搅拌均匀；
(5) 采用三电极体系(工作电极为有效面积1 cm2的碳纸，对电极为金片，参比电极为饱和甘汞电极)，控制反应器温度为5 ℃，设置单级脉冲信号分别为：脉冲电位为0.7 V、脉冲通断时间比为20 ms/ 200 ms；脉冲次数为8000次；
(6) 将制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥；
(7) 采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的KCl溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试。结果显示其电容量为253 F/g，循环充放电50000次后仅衰减7.3%。
实施例3
(1) 将1.2323 g吡咯单体溶于100 ml的水溶液中配制成0.18 mol/L的吡咯水溶液A；
(2) 将28.6531 g硝酸钾溶于100 ml的水溶液中配制成2.4 mol/L的硝酸钾水溶液B；
(3) 将32.8153 g浓硝酸溶于100 ml的水溶液中配制成2.7 mol/L的硝酸溶液C；
(4) 分别取10 ml 溶液A、溶液B和溶液C置入反应容器中搅拌均匀；
(5) 采用三电极体系(工作电极为有效面积0.5 cm2的金片，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极)，控制反应器温度为8 ℃，设置单级脉冲信号分别为：脉冲电位为0.7 V、脉冲通断时间比为15 ms/ 150 ms；脉冲次数为13000次；
(6) 将制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥；
(7) 采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的KNO3溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试。结果显示其电容量为235 F/g，循环充放电50000次后仅衰减8.2%。
实施例4
(1) 将1.643 g吡咯单体溶于100 ml的水溶液中配制成0.24 mol/L的吡咯水溶液A；
(2) 将11.2311 g氯化钾溶于100 ml的水溶液中配制成1.5 mol/L的氯化钾水溶液B；
(3) 将29.2 g浓盐酸溶于100 ml的水溶液中配制成3 mol/L的盐酸溶液C；
(4) 分别取10 ml 溶液A、溶液B和溶液C置入反应容器中搅拌均匀；
(5) 采用三电极体系(工作电极为有效面积1 cm2的碳纸，对电极为金片，参比电极为饱和甘汞电极)，控制反应器温度为10 ℃，设置单级脉冲信号分别为：脉冲电位为0.7 V、脉冲通断时间比为30 ms/ 300 ms；脉冲次数为15000次；
(6) 将制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥；
(7) 采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的KCl溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试。结果显示其电容量为233 F/g，循环充放电50000次后仅衰减7.9%。
实施例5
(1) 将1.3692 g吡咯单体溶于100 ml的水溶液中配制成0.2 mol/L的吡咯水溶液A；
(2) 将35.5102 g硫酸钾溶于100 ml的水溶液中配制成2 mol/L的硫酸钾水溶液B；
(3) 将15.152 g浓硫酸溶于100 ml的水溶液中配制成1.5 mol/L的硫酸溶液C；
(4) 分别取10 ml 溶液A、溶液B和溶液C置入反应容器中搅拌均匀；
(5) 采用三电极体系(工作电极为直接4 mm的石墨棒，对电极为铂网，参比电极为饱和甘汞电极)，控制反应器温度为20 ℃，设置单级脉冲信号分别为：脉冲电位为0.7 V、脉冲通断时间比为50 ms/ 500 ms；脉冲次数为5000次；
(6) 将制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥；
(7) 采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的K2SO4溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试。结果显示其电容量为230 F/g，循环充放电50000次后仅衰减8.5%。
实施例6
(1) 将4.1076 g吡咯单体溶于100 ml的水溶液中配制成0.6 mol/L的吡咯水溶液A；
(2) 将35.8164 g硝酸钾溶于100 ml的水溶液中配制成3 mol/L的硝酸钾水溶液B；
(3) 将7.2923 g浓硝酸溶于100 ml的水溶液中配制成0.6 mol/L的硝酸溶液C；
(4) 分别取10 ml 溶液A、溶液B和溶液C置入反应容器中搅拌均匀；
(5) 采用三电极体系(工作电极为有效面积0.5 cm2的金片，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极)，控制反应器温度为10 ℃，设置单级脉冲信号分别为：脉冲电位为0.7 V、脉冲通断时间比为30 ms/ 300 ms；脉冲次数为9000次；
(6) 将制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥；
(7) 采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的KNO3溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试。结果显示其电容量为220 F/g，循环充放电50000次后仅衰减9.5%。
实施例7
(1) 将0.4108 g吡咯单体溶于100 ml的水溶液中配制成0.06 mol/L的吡咯水溶液A；
(2) 将16.788 g高氯酸钾溶于100 ml的水溶液中配制成1.2 mol/L的高氯酸钾水溶液B；
(3) 将16.9859 g高氯酸溶于100 ml的水溶液中配制成1.2 mol/L的高氯酸溶液C；
(4) 分别取10 ml 溶液A、溶液B和溶液C置入反应容器中搅拌均匀；
(5) 采用三电极体系(工作电极为有效面积0.5 cm2的铂片，对电极为金片，参比电极为饱和甘汞电极)，控制反应器温度为20 ℃，设置单级脉冲信号分别为：脉冲电位为0.7 V、脉冲通断时间比为40 ms/ 400 ms；脉冲次数为20000次；
(6) 将制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥；
(7) 采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的KClO4溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试。结果显示其电容量为232 F/g，循环充放电50000次后仅衰减9.2%。
实施例8
(1) 将3.423 g吡咯单体溶于100 ml的水溶液中配制成0.5 mol/L的吡咯水溶液A；
(2) 将31.9592 g硫酸钾溶于100 ml的水溶液中配制成1.8 mol/L的硫酸钾水溶液B；
(3) 将18.1824 g浓硫酸溶于100 ml的水溶液中配制成1.8 mol/L的硫酸溶液C；
(4) 分别取10 ml 溶液A、溶液B和溶液C置入反应容器中搅拌均匀；
(5) 采用三电极体系(工作电极为有效面积1 cm2的碳纸，对电极为铂网，参比电极为饱和甘汞电极)，控制反应器温度为5 ℃，设置单级脉冲信号分别为：脉冲电位为0.7 V、脉冲通断时间比为5 ms/ 50 ms；脉冲次数为18000次；
(6) 将制备好的聚吡咯膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥；
(7) 采用相同步骤(1) ~ (6)再制备一个聚吡咯膜，将两个制备好的聚吡咯膜电极置入1 mol/L的K2SO4溶液中组成两电极体系，在-0.5 ~ 0.5 V的电压范围内，于50 A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试。结果显示其电容量为223 F/g，循环充放电50000次后仅衰减8.9%。 

Claims (9)

1.一种电活性聚吡咯膜的制备方法，包括电化学单极脉冲法，其所述方法是按下列步骤进行的：
(1)将吡咯单体溶于水中配制成吡咯浓度为0.06 ~ 0.6 mol/L的水相溶液A；
(2)将电解质溶于水中配制成电解质浓度为1.2 ~ 3 mol/L的水相溶液B；
(3)将无机酸溶液溶于水中配制成氢离子浓度为0.3 ~ 3 mol/L的水相溶液C；
(4)、将上述步骤(1)、(2)和(3) 配制成的水相溶液A、B和C三种溶液等体积混合于反应器中，搅拌均匀；
(5)采用三电极体系，在导电基体上通过单极脉冲电聚合法，控制聚合反应体系温度为5 ~20 ℃；设置脉冲电位为0.7 V；脉冲通断时间比为：5 ~ 50 ms/ 50 ~ 500 ms；脉冲次数为5000 ~ 20000次，获得聚吡吡咯膜电极；
(6)将上述步骤(5)获得的聚吡咯膜电极取出由蒸馏水冲洗，常温干燥，即制得聚吡咯膜电极材料。
2.如权利要求1所述的聚吡咯膜电极材料的制备方法，其所述吡咯单体溶于水中配成吡咯的浓度进一步为0.15 ~ 0.3 mol/L的水相溶液A。
3.如权利要求1所述的聚吡咯膜电极材料的制备方法，其所述脉冲通断时间比进一步为10 ~ 20 ms/ 100 ~ 200 ms。
4.如权利要求1所述的聚吡咯膜电极材料的制备方法，其所述脉冲次数进一步为8000 ~ 12000次。
5.如权利要求1所述的聚吡咯膜电极材料的制备方法，其所述电解质是氯化钾、硫酸钾、硝酸钾和高氯酸钾中的一种。
6.如权利要求1所述的聚吡咯膜电极材料的制备方法，其所述无机酸是盐酸、硫酸、硝酸和高氯酸中的一种。
7.如权利要求1所述的聚吡咯膜电极材料的制备方法，其所述导电基体是工作电极；惰性电极是对电极；饱和甘汞电极是参比电极。
8.如权利要求1所述的聚吡咯膜电极材料的制备方法，其所述导电基体是铂、金、碳纸或石墨棒。
9.如权利要求1所述的聚吡咯膜电极材料的制备方法，其所述单极脉冲电聚合法是在开时间施加一恒定的脉冲聚合电位，关时间控制电流为零，而电极电位则自动保持为开路电位。
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