PDF《聚苯胺/碳纳米纤维复合材料的制备及电容性能》

3181 Vol.26 Acta Phys. ?Chim. Sin.

2010 碳材料的合成和应用尤其是碳纳米管(CNT)和 碳纳米纤维(CNF)在近十几年的时间里引起科研人 员的高度关注. 与CNT 相比, 碳纳米纤维具有制作 成本低和原料丰富等优势, 且在储氢材料、 电子器件、 催化剂载体和 CNT 的替代品等方面将是最具潜力 的碳材料[1-2] . 静电纺丝技术是一种简便且高效的制备聚合 物纳米纤维布的方法, 由该技术制备的聚合物纳米 纤维布经高温处理后得到的碳纳米纤维布不仅空 隙率高、 导电性好, 且不需要用粘结剂粘结成块, 可 直接作为电极材料使用[3-5] , 这是其它材料难以实 现的. 聚苯胺(PANI)作为一种典型的π共轭高分子 聚合物, 通过 p 型掺杂进行导电.因其原料便宜, 合 成简便, 使用温度范围宽及化学稳定性能好, 有较 高的赝电容储能特性, 良好的氧化还原可逆性和潜 在的熔融加工可能性等优点, 故PANI在储能材料、 二次电池、 抗静电表面涂层材料、 耐腐蚀材料、 催化 剂载体和化学传感器方面都有着广泛的应用前景. 因此备受研究者的重视, 被认为是最有希望得到应 用的导电聚合物材料[6-9] . 然而, PANI 电极材料在充放电过程中(即发生 氧化还原反应时)体积变化较大, 导致化学稳定性 差, 且碳材料也存在比容量较小等问题. 因此将反 应可控的 PANI 沉积在高导电性能的 CNF 表面, 因 协同作用使两种材料的优势都得到充分发挥[10-11] . 如最近报道的碳纳米管/聚苯胺[7-8,12] 以及活性炭/ 聚苯胺[13-14] 复合电极材料, 其比电容量均比纯聚苯 胺有较大的提高. 故在 CNF 表面均匀地沉积一层 PANI 而制备的复合材料, 不仅稳定性能好、 易控制, 而且能够有效地提高材料的导电性[15] . 本文采用原 位聚合法, 在低温条件下通过控制反应物浓度来控 制复合材料中PANI的含量, 利用红外(IR)光谱仪、 高 温微量热天平和扫描电镜(SEM)等仪器对复合材料 进行表征, 并对PANI/CNF的电容性能进行了研究.

1 实验1.1 试剂及仪器 苯胺(ANI)、 过硫酸铵(APS)、 硫酸(98%)、 盐酸 (36%-38%)和无水乙醇(≥99.7%), 均为天津市福晨 化学试剂厂的分析纯产品, 其中苯胺在使用前经减 压蒸馏处理;

聚丙烯腈(PAN)/二甲基亚砜(DMSO) 20%溶液, 分子量为250000, 中国科学院长春应用化 学研究所友好提供;

N,N?二甲基甲酰胺(DMF), 上海 金威化学有限公司;

高压电源(0-60 kV), 天津东文 高压电源厂;

高温碳化炉, 上海实验电炉厂;

GWL? 50B 真空感应高温烧结炉, 吉林锦州中真电炉有 限责任公司;

傅里叶变换红外(FT ? IR) 光谱仪, BRUKER TENSOR27;

高温微量热天平, 上海精密 科学仪器有限公司天平仪器厂;

QUANTA

2000 环 境扫描电子显微镜, ESEM美国FEI公司;

CHI660B 电化学工作站, 上海辰华仪器有限公司;

JW?K型孔 分布及比表面积测定仪, 北京精微高博科学技术有 限公司. 1.2 CNF布的制备 将20% PAN/DMSO 用DMF 稀释成 10% PAN 纺丝液, 在17 kV 高压静电下纺丝成布.依次经

210 ℃预氧化,

700 ℃初级碳化及

2200 ℃下石墨化 处理, 即得CNF布, 见文献[16]. 1.3 PANI/CNF复合材料的制备 将浓硝酸处理过的

100 mg CNF 布浸没于溶有 ANI 溶液的盐酸溶液中, 缓慢滴加溶有 APS 的盐酸 溶液, 控制液滴速度, 盐酸浓度为1 mo ・ L-1 , n(ANI)/ n(APS)=8/1, 通过控制反应物浓度调节 PANI 在复 合材料中的含量(结合热重分析(TGA)曲线得到 不同材料在