银纳米线的快速制备及其在导电膜和超级电容器电极中的应用

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银纳米线(Ag NW)具有优异的导电性、较低的表面电阻、极高的透明度和良好的柔韧性等特点,可替代传统的透明导电材料氧化铟锡(ITO),并实现导电膜的柔性显示。同时,一维纳米材料具有定向的电荷传导,强大的应力承受能力以及短的电荷转移路径的特点,被认为是十分有效电极材料。因此,Ag NW在光电设备和超级电容器等消费电子领域中显示出较大的应用前景。本文采用改性的多元醇法实现了Ag NW的快速制备,探讨了各工艺参数对Ag NW形貌的影响并详细分析其生长机理。在此基础上,采用棒涂和抽滤-转移的方法制备了Ag NW柔性透明导电膜,并将其与加入了碳纳米管(CNT)的Ag NW/CNT的混合导电膜进行对比,详细探讨透明导电膜的光电性能和机械稳定性;此外,将Ag NW与其它电极材料复合制备了具有良好电化学性能的混合超级电容器电极。其主要研究结果如下:采用卤化物介导的多元醇法制备Ag NW。研究了反应温度、反应时间、PVP分子量和卤化物浓度等对产物形貌的影响,详细探讨了Br~-和Cl~-在Ag NW形成过程中的作用。结果表明适量NaBr和NaCl的加入可使部分Ag~+以分级溶解的方式释放,减慢了Ag~+的还原速率,并促进Ag NW的形成;所制备的Ag NW平均直径为70 nm,平均长度为20.83μm。采用棒涂和抽滤-转移的方法制备了基于Ag NW的透明导电膜,研究了棒涂次数对其光电性能的影响,当棒涂7次时获得的导电膜具有87.0%的透过率,平均薄片电阻约45.0Ω/sq。同时对比了Ag NW膜和Ag NW/CNT膜的光电性能和机械稳定性。研究发现相同体积用量下制备的Ag NW/CNT透明导电膜的透过率较Ag NW透明导电膜高,但其薄片电阻比Ag NW膜高。Ag NW/CNT用量为0.2 mL时制备的柔性透明导电膜的薄片电阻为65.5Ω/sq,透过率为87.8%。此外,CNT良好的机械稳定性可以对导电膜起到一定的保护作用。采用原位聚合的方法制备了银纳米线/聚吡咯(Ag NW/PPy)核-壳结构电极材料,对比了相同条件下制备的CNT/PPy和Ag NW/CNT/PPy电极的电化学性能。结果表明,电流密度为1 A/g时,Ag NW/PPy的比电容为65.50 F/g,并具有较低的等效串联电阻,表现出比CNT/PPy和Ag NW/CNT/PPy更好的电化学性能。同时,考察了Ag NW用量对CNT/PPy电极的电化学性能影响。研究发现Ag NW的加入对CNT/PPy电极电化学性能具有良好的促进作用,电流密度为1 A/g时,较优条件下制备的CNT/PPy-Ag NW电极材料的比电容为79.75 F/g,比CNT/PPy增高约432%,并具有良好的倍率性能和电荷传输特性。采用一步化学还原法制备了基于还原氧化石墨烯(RGO),负载有Ag NW/PPy和Ag NW的水凝胶电极材料RGO/Ag NW/PPy和RGO-Ag NW。探讨了Ag NW/PPy和Ag NW用量对RGO电化学性能的影响。研究发现Ag NW/PPy和Ag NW的加入可有效提高RGO的比电容。在0.5 A/g的电流密度下,较优条件下制备的RGO-Ag NW水凝胶电极比电容为81.69 F/g,比RGO电极增长101%,而RGO/Ag NW/PPy电极比电容为81.50 F/g,比相同条件下制备的RGO电极增长223%,并具有良好的倍率性能和导电性。综上所述,基于高导电性Ag NW制备的Ag NW/CNT透明导电膜表现出良好的光电性能和机械稳定性,同时,Ag NW对超级电容器电极的电化学性能具有很好的提升作用。
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