CN107768150A - 一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极及其制备方法 - Google Patents

一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极及其制备方法，属于超级电容器技术领域。其首先是清洗并活化碳布基底，然后配制苯胺、盐酸和氯化铜的混合溶液，再将活化碳布基底作为工作电极浸入到该混合溶液中；以甘汞电极为参比电极，以铂电极为对电极，在电化学工作站上利用循环伏安法在特定电势窗口中，于5～15mV/s速率扫速下，生长若干循环；最后用去离子水清洗工作电极，35～50℃下烘干后得到以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极。本发明在一定程度上解决了聚苯胺材料本身的缺陷，提升比容量与倍率性能，同时该电极也具有更高的机械强度、更小的内阻、更优良的稳定性等优点，可以广泛用于新能源开发领域。

Description

一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极及其制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极及其制备方法。
背景技术
以传统的石油、天然气等化石能源驱动的汽车、发电机、大型起重机等设备由于燃料燃烧所导致的污染日益严重。而对于新型清洁能源的开发，比如风能、太阳能、潮汐能等，人们遇到了前所未有的瓶颈：对于间断性能源的无间断利用。如何将在特定的时间产生的能量持续的利用在全天所有时间段，是目前绝大多数可再生能源利用所遇到的挑战与难题。
为了解决上述问题并更加高效合理的利用分配新型可再生能源，超级电容器应运而生。相比于传统的储能器件，诸如锂电池、锂离子电池和锌锰电池等，超级电容器具有更加优秀的功率密度，可以适应于高速高电流下的充放电过程，并且在大电流充放电下更加稳定安全，不易发生事故。同时，超级电容器还拥有远超于传统锂电池的使用寿命。通常锂电池的充放电次数在千次左右，但是超级电容器可以达到万次以上。这些优势在对于新型能源的利用上就极为有利，因为能源的收集通常是间断并高密度的并且是长时间的。这对于传统锂电池来讲，器件的寿命会受到极大的影响，最终导致需要更频繁的更换器件，从而造成了诸多不便和能源成本的大量提升。而超级电容器在高电流密度下可以拥有更高的稳定性，从而拥有更久的使用寿命，更加适用于对于新能源的开采收集利用体系。
一般传统的碳基超级电容器可以具有良好的倍率性能以供大电流充放电使用，但是其比容量难以突破(一般在200～400F/g)。而新兴的以聚苯胺为代表的导电聚合物为活性材料的赝电容电极，利用其表面快速的可逆法拉第反应进行储能，从而可以获得更高的比容量。但是其倍率性能由于受到电荷传输的限制往往不尽人意。研究者发现，造成聚苯胺材料倍率性能下降的原因可能是由于聚苯胺的空间结构较为复杂，一般的制备方法无法使其适应高速的粒子运输。
发明内容
针对上述问题，本发明利用铜离子在电聚合聚苯胺过程中进行可控掺杂，有效的调控聚苯胺材料的空间结构，从而极大的改善了在储能过程中的电荷传输，进而可以使其具有高比容的同时兼备优秀的倍率性能。该方法不仅简单易行，而且成本低；获得的碳布基铜离子掺杂聚苯胺电极在保持了优秀的倍率性能的前提下，具有更高的比表面积和更大的比容量。
本发明所述的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极的制备方法，其步骤如下：
1)清洗并活化碳布基底；
2)配制苯胺、盐酸和氯化铜的混合溶液；
3)将步骤1)得到的活化碳布基底作为工作电极浸入到步骤2)配制的混合溶液中，以甘汞电极为参比电极，以铂电极为对电极，在电化学工作站上利用循环伏安法在特定电势窗口中，于5～15mV/s速率扫速下，生长若干循环；
4)用去离子水清洗步骤3)得到的工作电极，然后在35～50℃下烘干，得到以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极。
步骤1)中所述的清洗并活化碳布基底，是将碳布基底裁剪成(1～3)cm*(1～3)cm的大小，浸入到8～10mol/L的氢氧化钾水溶液中搅拌处理2～3h，取出后用去离子清洗干净，再在35～50℃下烘干；
步骤2)中所述的混合溶液中的溶剂为去离子水，苯胺的浓度为0.1～0.3mol/L，盐酸的浓度为0.5～2mol/L，氯化铜的浓度为0.1～0.15mol/L；
步骤3)中特定电势窗口的低电势为-0.4V～0V，高电势为0.4V～0.8V，生长40～50个循环；
我们对所制备的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极进行了结构和电化学性能表征，结果表明：该电极在电流密度(1mA/cm2)下，获得了高达1.991F/cm2的比容量，并在电流密度提升五倍达到5mA/cm2的电流密度下，其比容依旧保持在2.07F/cm2，显示出了该电极材料具有较高的比容同时具有优良的倍率性能。
本发明制备的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极一定程度上解决了聚苯胺材料本身的缺陷，提升比容量与倍率性能，同时该电极也具有更高的机械强度、更小的内阻、更优良的稳定性等优点，可以广泛用于新能源开发领域。同时该电极的制备工艺较为简单、所需成本相对低，更易于实现大规模商业化生产。
附图说明
图1：实施例2制备的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极在不同放大倍数下的扫描电镜照片；
图2：实施例2制备的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极的XRD谱图；
图3：实施例2制备的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极的循环伏安曲线；
图4：实施例2制备的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极的恒流充放电曲线；。
图1所示，在图1a中可以看出，碳布纤维表面上生长有较为均匀的聚苯胺层和聚苯胺纤维,其放大图片如图1b与1c所示，表面的聚苯胺层具有较多的孔洞，这样的结构大大的增加了材料的比表面积。从对电极表面的高倍SEM照片(图1d)中可以看出，孔的直径大约在50nm到100nm之间。
图2所示，谱图中在10°到30°之间有较宽的峰，证明了有机聚合物聚苯胺的成功合成，同时在40°与50°之间的宽峰证明了铜离子的掺入。
图3为经过电化学聚合45个循环后的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极在1mol/L的硫酸为电解液中的循环伏安测试。从测试结果可以看到，有明显三个氧化峰与还原峰出现。这代表着聚苯胺材料的氧化还原过程，也就是储能过程。其曲线包覆面积随扫速的增大而增大，且氧化还原峰越趋于平缓，说明其电容特性更趋近与电容器。
图4为经过45个循环聚合生长的以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极在不同电流下的恒电流放电曲线。从曲线中可以看出，总体放电曲线趋于直线，没有明显的平台出现，展现出了良好的电容特性。同时，电压窗口总共达到了1.4V，更高的电压窗口可以提供更高的能量密度与功率密度。在1mA、3mA、5mA、10mA的电流下，该电极的比容量分别达到了1.844F/cm2、2.080F/cm2、2.292F/cm2、2.800F/cm2。
因此相比其它制备方法获得的聚苯胺电极，本发明利用更为简洁高效的制备工艺，以电化学方法氧化聚合聚苯胺且利用铜离子进行掺杂最终制备出的电极材料，具有十分优秀的电化学应用潜力与发展前景。
具体实施方式
实施例1：
碳布基底的清洗与活化：将碳布基底裁成1cm*1cm正方形，将裁剪后的基底放入烧杯中并倒入40mL浓度为10mol/L的氢氧化钾水溶液。利用磁力搅拌器对该烧杯中液体进行搅拌，2小时后完成对碳布基底的清洗与碱性活化过程。活化完成后取出碳布基底，用去离子水超声清洗三次，每次30秒，最后于40℃下烘干备用。
取0.341g氯化铜晶体溶于36.3mL去离子水中，随后向其中缓慢滴加3.335mL的质量分数为37％的浓盐酸，搅拌该混合溶液5分钟直至溶液稳定均匀；再用微升注射器取0.37mL苯胺，逐滴滴入上述溶液中，搅拌20分钟后得到稳定均一的电解液。
将清洗并活化后的碳布基底夹在电极夹上作为工作电极，以甘汞电极为参比电极，以2cm*2cm的铂片为对电极，在电化学工作站上进行电化学生长。生长方法为循环伏安法，其中扫描电势窗口为-0.2V～0.6V，电势扫描速度为10mV/s。累计扫描生长45个循环后取出碳布基底。用去离子水反复清洗生长后的碳布基底，并在40℃下烘干后得到生长有铜离子掺杂聚苯胺活性材料的电极。
电化学测试结果表面，该电极在电流密度为1mA/cm2的电流密度下，其比容量达到了0.6998F/cm2，同时当电流密度扩大5倍后，其倍率性能达到了92.43％。
实施例2：
碳布基底的清洗与活化过程如实施例1。
将1.0029g氯化铜晶体溶于35.92mL去离子水中，随后向其中缓慢滴加3.335mL的质量分数为37％浓盐酸。搅拌该混合溶液5分钟直至溶液稳定均匀。再用微升注射器取0.745mL苯胺，逐滴滴入上述溶液中，搅拌20分钟后得到稳定均一的电解液。
将清洗并活化后的碳布夹在电极夹上作为工作电极，利用2cm*2cm的铂片作为对电极，在电化学工作站上进行电化学生长。生长方法为循环伏安法，其中扫描电势窗口为-0.2V～0.6V，电势扫描速度为10mV/s。
累计扫描生长45个循环后取出碳布基底。用去离子水反复清洗生长后的基底，并在40℃下烘干后得到生长有铜离子掺杂聚苯胺活性材料的电极。
电化学测试结果表面，该电极在电流密度为1mA/cm2的电流密度下，其比容量达到了2.6616F/cm2，同时当电流密度扩大5倍后，其倍率性能达到了120.26％。
实施例3：
碳布基底的清洗与活化过程如实施例1。
取0.6189g氯化铜晶体溶于35.92mL去离子水中，随后向其中缓慢滴加3.335mL质量分数为37％的浓盐酸。搅拌该混合溶液5分钟直至溶液稳定均匀。再用微升注射器取0.745mL苯胺，逐滴滴入上述溶液中，搅拌20分钟后得到稳定均一的电解液。将清洗并活化后的碳布夹在电极夹上作为工作电极，利用2cm*2cm的铂片作为对电极，在电化学工作站上进行电化学生长。生长方法为循环伏安法，其中扫描电势窗口为-0.2V～0.6V，电势扫描速度为10mV/s。累计扫描生长45个循环后取出碳布基底。用去离子水反复清洗生长后的基底，并在40℃下烘干后得到生长有铜离子掺杂聚苯胺活性材料的电极。
电化学测试结果表面，该电极在电流密度为1mA/cm2的电流密度下，其比容量达到了2.04F/cm2，同时当电流密度扩大5倍后，其倍率性能达到了101.59％。
实施例4：
碳布基底的清洗与活化过程如实施例1。
将0.6189g氯化铜晶体溶于35.92mL去离子水中，随后向其中缓慢滴加3.335mL质量分数为37％的浓盐酸。搅拌该混合溶液5分钟直至溶液稳定均匀。再用微升注射器取0.745mL苯胺，逐滴滴入上述溶液中，搅拌20分钟后得到稳定均一的电解液。将清洗并活化后的碳布夹在电极夹上作为工作电极，利用2cm*2cm的铂片作为对电极，在电化学工作站上进行电化学生长。生长方法为循环伏安法，其中扫描电势窗口为-0.2V～0.6V，电势扫描速度为20mV/s。
累计扫描生长45个循环后取出碳布基底。用去离子水反复清洗生长后的基底，并在40℃下烘干后得到生长有铜离子掺杂聚苯胺活性材料的电极。
电化学测试结果表面，该电极在电流密度为1mA/cm2的电流密度下，其比容量达到了1.436F/cm2，同时当电流密度扩大5倍后，其倍率性能达到了89.29％。
实施例5：
碳布基底的清洗与活化过程如实施例1。
将0.6819g氯化铜晶体溶于35.92mL去离子水中，随后向其中缓慢滴加3.335mL质量分数为37％的浓盐酸。搅拌该混合溶液5分钟直至溶液稳定均匀。再用微升注射器取0.745mL苯胺，逐滴滴入上述溶液中，搅拌20分钟后得到稳定均一的电解液。
将清洗并活化后的碳布夹在电极夹上作为工作电极，利用2cm*2cm的铂片作为对电极，在电化学工作站上进行电化学生长。生长方法为循环伏安法，其中扫描电势窗口为-0.2V～0.4V，电势扫描速度为10mV/s。累计扫描生长45个循环后取出碳布基底。用去离子水反复清洗生长后的基底，并在40℃下烘干后得到生长有铜离子掺杂聚苯胺活性材料的电极。
电化学测试结果表面，该电极在电流密度为1mA/cm2的电流密度下，其比容量达到了2.54F/cm2，同时当电流密度扩大5倍后，其倍率性能达到了121.59％％。
实施例6：
碳布基底的清洗与活化过程如实施例1。
取0.6819g氯化铜晶体溶于34.25mL去离子水中，随后向其中缓慢滴加5.00mL质量分数为37％的浓盐酸。搅拌该混合溶液5分钟直至溶液稳定均匀。再用微升注射器取0.745mL苯胺，逐滴滴入上述溶液中，搅拌20分钟后得到稳定均一的电解液。将清洗并活化后的碳布夹在电极夹上作为工作电极，利用2cm*2cm的铂片作为对电极，在电化学工作站上进行电化学生长。生长方法为循环伏安法，其中扫描电势窗口为-0.2V～0.6V，电势扫描速度为10mV/s。累计扫描生长45个循环后取出碳布基底。用去离子水反复清洗生长后的基底，并在40℃下烘干后得到生长有铜离子掺杂聚苯胺活性材料的电极。
电化学测试结果表面，该电极在电流密度为1mA/cm2的电流密度下，其比容量达到了1.497F/cm2，同时当电流密度扩大5倍后，其倍率性能达到了95.54％。
实施例7：
碳布基底的清洗与活化过程如实施例1。
取0.6819g氯化铜晶体溶于34.25mL去离子水中，随后向其中缓慢滴加3.335mL质量分数为37％的浓盐酸。搅拌该混合溶液5分钟直至溶液稳定均匀。再用微升注射器取0.745mL苯胺，逐滴滴入上述溶液中，搅拌20分钟后得到稳定均一的电解液。
将清洗并活化后的碳布夹在电极夹上作为工作电极，利用2cm*2cm的铂片作为对电极，在电化学工作站上进行电化学生长。生长方法为循环伏安法，其中扫描电势窗口为-0.2V～1.0V，电势扫描速度为10mV/s。累计扫描生长45个循环后取出碳布基底。用去离子水反复清洗生长后的基底，并在40℃下烘干后得到生长有铜离子掺杂聚苯胺活性材料的电极。
电化学测试结果表面，该电极在电流密度为1mA/cm2的电流密度下，其比容量达到了4.0733F/cm2，同时当电流密度扩大5倍后，其倍率性能达到了118.74％。
实施例8：
碳布基底的清洗与活化过程如实施例1。
取0.6819g氯化铜晶体溶于34.25mL去离子水中，随后向其中缓慢滴加3.335mL质量分数为37％的浓盐酸。搅拌该混合溶液5分钟直至溶液稳定均匀。再用微升注射器取0.745mL苯胺，逐滴滴入上述溶液中，搅拌20分钟后得到稳定均一的电解液。
将清洗并活化后的碳布夹在电极夹上作为工作电极，利用2cm*2cm的铂片作为对电极，在电化学工作站上进行电化学生长。生长方法为循环伏安法，其中扫描电势窗口为-0.2V～0.6V，电势扫描速度为10mV/s。
累计扫描生长30个循环后取出碳布基底。用去离子水反复清洗生长后的基底，并在40℃下烘干后得到生长有铜离子掺杂聚苯胺活性材料的电极。
电化学测试结果表面，该电极在电流密度为1mA/cm2的电流密度下，其比容量达到了2.013F/cm2，同时当电流密度扩大5倍后，其倍率性能达到了95.82％。

Claims (5)

1.一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极的制备方法，其步骤如下：
1)清洗并活化碳布基底；
2)配制苯胺、盐酸和氯化铜的混合溶液；
3)将步骤1)得到的活化碳布基底作为工作电极浸入到步骤2)配制的混合溶液中，以甘汞电极为参比电极，以铂电极为对电极，在电化学工作站上利用循环伏安法在特定电势窗口中，于5～15mV/s速率扫速下，生长若干循环；
4)用去离子水清洗步骤3)得到的工作电极，然后在35～50℃下烘干，得到以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺活性电极。
2.权利要求1所述的一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的清洗并活化碳布基底，是将碳布基底裁剪成(1～3)cm*(1～3)cm的大小，浸入到8～10mol/L的氢氧化钾水溶液中搅拌处理2～3h，取出后用去离子清洗干净，再在35～50℃下烘干。
3.权利要求1所述的一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的混合溶液中的溶剂为去离子水，苯胺的浓度为0.1～0.3mol/L，盐酸的浓度为0.5～2mol/L，氯化铜的浓度为0.1～0.15mol/L。
4.权利要求1所述的一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极的制备方法，其特征在于：步骤3)中特定电势窗口的低电势为-0.4V～0V，高电势为0.4V～0.8V，生长40～50个循环。
5.一种以碳布为基底的铜离子掺杂聚苯胺电极，其特征在于：是由权利要求1～4任何一项所述的方法制备得到。
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