盐模板法可控制备二维导电聚合物及其性能研究

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由于环境友好、生物可兼容以及高电导率等优点,具有一维离域共轭结构的导电聚合物已广泛应用于太阳能电池、光催化和超级电容器等能源相关应用。在大多数情况下,基于导电聚合物的能量存储和转换器件的性能取决于导电聚合物本征的电学和光学性能。通过调控导电聚合物的分子结构以及纳米结构尺寸,可以对导电聚合物的本征性能进行有效调节。尤其将导电聚合物分子限域在二维空间内可实现特殊的物理化学性质,同时二维形貌的高比表面积有利于离子扩散传输可更好地应用于能源相关领域。随着研究的深入,人们发现由于不同分子链之间强相互作用导致分子链容易交联团聚,使二维导电聚合物的制备非常困难。因此,如何简易高效地大规模制备二维导电聚合物一直是研究热点。本文围绕二维导电聚合物的可控制备以及其电化学性能展开了研究。主要研究内容如下:
  (1)通过盐模板法制备了多种二维导电聚合物纳米片。以CuCl2?2H2O为模板和氧化剂,通过气相聚合的方式成功制备了多种二维导电聚合物,包括聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)纳米片,通过调控CuCl2?2H2O模板的尺寸以及反应时间,可对导电聚合物纳米片的尺寸及厚度进行调控。通过构筑CuCl2?2H2O大块体,可实现大面积透明PPy薄膜的制备,该薄膜具有良好柔性和高电导率。该合成方法具有普适性,有望推广到其它二维导电聚合物的可控制备。
  (2)研究了盐模板法可控合成二维导电聚合物的生长机理。主要通过气-固界面的限域效应控制二维导电聚合物的生长。同时,CuCl2?2H2O在催化聚合过程中会被部分还原释放水分子并形成CuCl2液体,并扩散至聚合物表面形成新的氧化剂模板,使聚合物纳米片的厚度随反应时间的延长而增加。
  (3)研究了PPy纳米片的电化学性能,通过抽滤和浸泡制备了PPy纳米片自支撑“凝胶”电极并组装了超级电容器对称器件。该电极显示了优异的储能性能,在1MH2SO4电解液中比电容高达355F/g(体积电容320F/cm3),并且在5000mV/s的高扫描速度下电容仍可达到196F/g。所组装的器件显示了极高的功率密度,体现了二维导电聚合物在能量存储领域的优势。
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