石墨烯/聚苯胺复合材料的制备、电化学性能及机理研究

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石墨烯和聚苯胺具有优异的物理化学性能,在众多领域有着广阔的应用前景。论文首先制备了三种不同氧化-还原程度的石墨烯,然后将所得的石墨烯与苯胺在不同体系下进行原位聚合,制备出具有导电纤维桥连的石墨烯/聚苯胺复合材料。使用透射电镜(TEM)对不同石墨烯及其复合材料进行形貌表征;使用傅里叶转换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)和X射线衍射(XRD)对其进行结构表征;借助电化学工作站和四探针测试仪对其进行电化学性能和电导率的测试:并通过Gaussian03W计算软件对其复合机理进行了初步探索。主要工作如下:(1)使用改进的Hummer’s法制备的高氧化程度的功能化石墨烯(G1)具有丰富的含氧官能团;用硼氢化钠对G1进行处理,成功的消除了G1上的环氧基,得到中等氧化-还原程度的功能化石墨烯Gz;用浓硫酸对Gz进行处理,成功的消除了G:表面的羟基,得到低氧化-还原程度的功能化石墨烯G3。(2)调节反应体系中乙二醇与水的比例,原位聚合法制备石墨烯/聚苯胺(G1P)复合材料。表征发现,乙二醇与水比例为1:5时,复合材料G1P15的石墨烯片层之间出现了聚苯胺导线桥连现象,并且产物具有优异的电容性及导电性。在5mV/s扫速下,G1P15的比电容达987.4F/g,G1P15与G1P15的电导率分别达2.03S/cm与0.71S/cm。(3)控制反应体系中异丙醇与水的比例为1:5,制备出石墨烯/聚苯胺(G2P)复合材料的石墨烯片层之间具有良好的聚苯胺导线桥连现象。在5mV/s扫速下,比电容达768.11F/g,四探针电导率测试值为2.41S/cm。具有良好的导电性。(4)调节反应体系中异丙醇与水的比例,制备出的石墨烯/聚苯胺(G3P15)复合材料的石墨烯片层之间具有良好的聚苯胺导线桥连现象。在5mV/s扫速下,G3P15质量比电容达782.15F/g,电导率测试结果为2.53S/cm。该复合材料显示了较高的比电容及突出的导电性能。(5)使用Gaussian03W计算软件对具有含氧官能团的石墨烯与苯胺进行弱相互作用探究。发现在水体系下,苯胺与石墨烯的弱相互作用最大,体系最稳定。也就间接的验证了我们之前的实验现象,即为什么在有水且水较多的情况下,聚苯胺容易与石墨烯形成具有导电纤维桥连的复合材料。
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