CN104103429A - 超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极及其制备方法 - Google Patents

超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极及其制备方法 Download PDF

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马秀梅
周卫强
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Abstract

一种超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极，包括一层基质材料和一层导电聚合物，基质材料由铜、铁、镍、碳材料中的任意一种组成，基质材料上为多孔纳米结构的聚(羧基吲哚)膜导电聚合物层，其制备方法包括电化学溶液配制和纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜的电沉积。本发明超级电容器的纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极，采用纳米线结构的导电聚(羧基吲哚)作为超级电容器电极，具有良好的充放电稳定性、高的比电容值、高的比功率和高的比能量值。

Description

超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极及其制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器中电极材料及其制备方法，特别是涉及一种超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极及其制备方法。
背景技术
如今，环境恶劣与能源短缺正在促使全球研究可持续新型绿色能源。太阳能和风能是种可持续的利用能源，但是这类能源的供应存在一些缺陷，例如，夜间无法利用太阳存储能量、风力小时很难起到发电作用。混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发取得了一定的成效，但它们存在使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价昂贵等弱点。因此，研究开发新型能源储存装置对社会的发展将具有及其重要的作用。超级电容器是一种具有高功率、瞬间大电流充放电、使用寿命长、环境友好和节约能源等特点的新型储能装置。超级电容器以其优异的特性可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆启动电源、车辆的牵引能源、激光武器的脉冲能源以及家庭生活中的电子产品中。正因如此，世界各国都不遗余力地对超级电容器进行研究和开发。
在1957年，Becker提出了超级电容器概念，之后便在世界范围内掀起了超级电容器的研究热潮。我国科技部在国家“863”电动汽车专项中把超级电容器列为专题进行研究，充分说明超级电容器具有广阔的应用前景，并蕴藏着巨大的经济效益。根据电荷存储原理，超级电容器可以分为双电层电容器和赝电容器(或电化学还原电容器)。双电层电容器是以具有高表面积的碳基活性材料为电极，是通过非法拉第电子吸附的方法存储能量。电化学还原电容器是以金属氧化物或导电聚合物为电极活性材料，这类材料主要是通过其自身的快速的可逆表面或近表面反应的方法存储能量。
随着对超级电容器电极材料和器件结构的深入研究，研究者们认识到要提高超级电容器的综合性能，关键在于寻找合适的超级电容器电极材料。人们普遍采用比表面积大、导电性好、电化学稳定的碳基材料作为超级电容器的电极材料。然而价格昂贵的碳基材料的比电容都很低（50-80 F g-1），经过高温处理后方可达到100-200 F g-1。相对于碳基材料，金属氧化物（RuO2、MnO2）具有较高的能量密度和比电容，但其比表面积小、电导率极低、使用寿命短、价格昂贵且机械性能差。为了改善金属氧化物性能，人们对其进行了各种纳米复合物的制备。例如，其它原子掺杂金属氧化物、金属氧化物与碳基材料复合、金属氧化物与导电聚合物复合。虽然纳米金属氧化物复合材料应用于超级电容器的研究取得了重大进步，但是设计和制备纳米金属氧化物复合材料面临着诸多问题，如合成纳米材料的可重复性、充放电过程中纳米粒子的团聚导致活性下降、合成工序中带来的材料污染问题等。
导电聚合物作为电化学还原电容器电极材料，其比电容、导电性和稳定性均介于碳基材料和金属氧化物之间，且容易制备、成本最低。由于导电聚合物质量轻，柔韧性好，同时具有法拉第准电容和电化学双层电容特征，因此导电聚合物超级电容器具备重量轻、贮存能量密度高、功率密度高、可折叠、安全性好且环保等优点。尽管导电聚合物超级电容器电极材料研究起步较晚，但已成为超级电容器电极材料研究领域的热点之一。国内外导电聚合物超级电容器的研究主要是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其它们的衍生物、共聚物和复合物。虽然传统的导电聚合物具有大的比电容，但它们的充放电稳定性不足。
发明内容
本发明目的是提供一种具有高的比电容、比功率、比能量和长的循环使用寿命的超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极及其简单的制备方法。
本发明的超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极，包括一层基质材料和一层纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜，基质材料由铜、铁、镍、碳材料中的任意一种组成，基质材料上为纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜层。
本发明的超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极制备方法，包括以下步骤：
1、电化学溶液配制
将羧基吲哚溶于中性有机溶剂或酸性溶剂中，再在上述混合溶液中加入支持电解质，配制出羧基吲哚的摩尔浓度为5～100 mmol/L、支持电解质摩尔溶度为10～100 mmol/L的电化学溶液；
2、纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜的电沉积
将配制好的电化学溶液置入安装有基质材料为工作电极和铂丝作为对电极、Ag/AgCl作为参比电极的电化学反应装置中，向溶液中通入氮气10分钟，以除去溶液中的溶解氧，采用循环伏安法、恒电位法或恒电流法，控制电位范围在0-1.7 V之间，控制电流范围在0.5-5.0 mA/cm-2之间，控制聚合电量范围在10-100 mC/cm2之间，在基质材料上一步电沉积纳米线结构的聚(羧基吲哚)层。
所述中性有机溶剂包括乙腈、二氯甲烷和三氯甲烷；酸性溶剂包括三氟化硼乙醚；支持电解质包括四氟化硼四丁基胺、高氯酸锂和三氟化硼乙醚。
本发明的超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极，采用纳米线结构的聚(羧基吲哚)作为超级电容器电极，其具有良好的循环使用寿命、高的比电容值、高的比功率值和高的比能量值。
附图说明
图1为纳米线结构的聚(7-羧基吲哚)在1 mol/L H2SO4溶液中的不同电流密度下的充放电（A）及放电比电容曲线（B）图；
图2为纳米线结构的聚(7-羧基吲哚)在1 mol/L H2SO4溶液中的比功率与比能量关系曲线图；
图3为纳米线结构的聚(7-羧基吲哚)在1 mol/L H2SO4溶液中的充放电稳定性曲线图；
图4为纳米线结构的聚(7-羧基吲哚)的电极表面形貌图。
具体实施方式
实施例1：
一种超级电容器的纳米线结构的聚(5-羧基吲哚)膜电极制备方法，包括以下步骤：
1、电化学溶液配制
将50 mmol/L的5-羧基吲哚溶于乙腈中，再在上述混合溶液中加入0.1 mol/L的高氯酸锂作为支持电解质，配制的溶液为电化学溶液；
2、纳米线结构的聚(5-羧基吲哚)的电沉积
将配制好的50 mmol/L的5-羧基吲哚溶液置入碳基质材料为工作电极和铂作为对电极、Ag/AgCl作为参比电极的电化学反应装置中，向溶液中通入氮气10分钟，以除去溶液中的溶解氧，采用恒电位方法，控制电位为1.2 V，控制聚合电量在7.0 C/cm2左右，在碳基质材料上一步电沉积纳米线结构的聚(5-羧基吲哚)膜。
实施例2：
一种超级电容器的纳米线结构的聚(7-羧基吲哚)膜电极制备方法，包括以下步骤：
1、电化学溶液配制
将50 mmol/L的7-羧基吲哚溶于二氯甲烷中，再在上述混合溶液中加入0.1 mol/L的三氟化硼乙醚作为支持电解质，配制的溶液为电化学溶液；
2、纳米线结构的聚(7-羧基吲哚)的电沉积
将配制好的50 mmol/L的7-羧基吲哚溶液置入镍为工作电极和铂作为对电极、Ag/AgCl作为参比电极的电化学反应装置中，向溶液中通入氮气10分钟，以除去溶液中的溶解氧，采用恒电位方法，控制电位为1.5 V，控制聚合电量在7.0 C/cm2左右，在镍极上一步电沉积纳米线结构的聚(7-羧基吲哚)膜。

Claims (3)

1.一种超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极，包括一层基质材料和一层导电聚合物，其特征在于：基质材料由铜、铁、镍、碳材料中的任意一种；基质材料的上面是纳米线结构的聚(羧基吲哚)。
2.如权利要求1所述的超级电容器纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
（1）、电化学溶液配制
将羧基吲哚溶于中性有机溶剂或酸性溶剂中，再在上述混合溶液中加入支持电解质，配制出羧基吲哚的摩尔浓度为5～100 mmol/L、支持电解质摩尔溶度为10～100 mmol/L的电化学溶液；
（2）、纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜的电沉积
将配制好的电化学溶液置入安装有基质材料为工作电极和铂丝作为对电极、Ag/AgCl作为参比电极的电化学反应装置中，向溶液中通入氮气10分钟，以除去溶液中的溶解氧，采用循环伏安法、恒电位法或恒电流法，控制电位范围在0-1.7 V之间，控制电流范围在0.5-5.0 mA/cm-2之间，控制聚合电量范围在10-100 mC/cm2之间，在基质材料上一步电沉积纳米线结构的聚(羧基吲哚)层。
3.如权利要求2所述的超级电容器多孔纳米线结构的聚(羧基吲哚)膜电极的制备方法，其特征在于：中性有机溶剂包括乙腈、二氯甲烷和三氯甲烷；酸性溶剂包括三氟化硼乙醚；支持电解质包括四氟化硼四丁基胺、高氯酸锂和三氟化硼乙醚。
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