聚吡咯—氧化錳復(fù)合材料研究進(jìn)展

摘 要：本文綜述了聚吡咯-氧化錳復(fù)合材料電化學(xué)沉積法、化學(xué)原位聚合法等制備方法及其在超級(jí)電容器中的研究進(jìn)展，分別例舉了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和如何改善，展望聚吡咯-氧化錳復(fù)合電極材料在將來的發(fā)展與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器；二氧化錳；聚吡咯

0 引言

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展各種儀器和設(shè)施得到了進(jìn)一步的升級(jí)和改進(jìn)，對(duì)能源的要求也越來越高，傳統(tǒng)能源逐漸難以滿足新領(lǐng)域的能源需求。超級(jí)電容器是一種應(yīng)用廣泛具有前景的儲(chǔ)能設(shè)備，具有電容量大 功率高 充放電快穩(wěn)定性好無污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于汽車、通訊、軍事、航天、電子、醫(yī)學(xué)設(shè)備等諸多領(lǐng)域。電極是超級(jí)電容器的重要組成部分，主要分為炭電極、金屬氧化物電極、聚合物電極或是他們的復(fù)合物組成。MnO2具有儲(chǔ)量大、廉價(jià)、比表面積大、可逆性好、電化學(xué)性能穩(wěn)定、環(huán)境友好型等優(yōu)點(diǎn)，其理論比電容可高達(dá)1370F/g，但是MnO2導(dǎo)電性差且難溶解，導(dǎo)致其實(shí)際比電容與理論值相差甚遠(yuǎn)[1]。通過電化學(xué)、化學(xué)等復(fù)合的方法可將氧化錳與具有高導(dǎo)電性、高比表面積、電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、制備簡便、易于與其他物質(zhì)復(fù)合等優(yōu)點(diǎn)的PPy制成PPy-MnO2復(fù)合材料。通過循環(huán)伏安法、恒流充放電、交流阻抗測試其電化學(xué)性能，并用X射線衍射、紅外光譜、掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行測試[2]。

1 聚吡咯-氧化錳的復(fù)合

PPy具有制備工藝簡單、比電容高、電導(dǎo)率可控、穩(wěn)定無污染、且易于與其他材料復(fù)合等優(yōu)點(diǎn)，但其充放電時(shí)分子鏈容易收縮或膨脹使鏈狀結(jié)構(gòu)破壞，極大的限制他的使用壽命和載電荷能力，通過結(jié)合MnO2的比表面積大、可逆性高、電化學(xué)性能穩(wěn)定等性能，可制得性能更加優(yōu)越的復(fù)合材料。目前制備PPy-MnO2復(fù)合材料的方法主要有電化學(xué)沉積法和化學(xué)原位聚合法。

1.1 電化學(xué)沉積法

電化學(xué)沉積法是指在含聚合物單體的溶液中，采用恒電流、恒電位、循環(huán)伏安法等使吡咯單體和摻雜物在陽極發(fā)生聚合，沉積在電極表面生成聚合物粉末或薄膜。電化學(xué)沉積法可通過調(diào)節(jié)聚合電位、聚合電流、電解液、體系溫度、支持電解質(zhì)和溶劑等改變不同的合成條件，從而制的形貌不同的復(fù)合材料。Sharma R. K.等用0.1 mol/L吡咯和0.2 mol/L MnSO4 在0.5 mol/L H2SO4的電解液中，以拋光石墨為工作電極，鉑片為對(duì)電極，Ag/AgCl為輔助電極組成的三電極體系，4mA/cm2的恒電流進(jìn)行200s共沉積聚合，制得比電容為620 F/g的PPy-MnO2納米復(fù)合材料。聚吡咯分子通過包裹氧化錳使聚吡咯分子與氧化錳緊密鑲嵌在一起，有利于電荷的傳遞。通過復(fù)合材料的電化學(xué)性質(zhì)要比由單一材料的電化學(xué)性質(zhì)更加優(yōu)越。

1.2 化學(xué)原位聚合法

化學(xué)原位聚合是一種把反應(yīng)物單體與催化劑全部加入分散相，由于單體在單一相中是可以容的，而單體形成的聚合物在整個(gè)體系中是不可溶的，所以反應(yīng)開始后，單體聚合成預(yù)聚體，當(dāng)預(yù)聚體聚合尺寸逐步增大后生成納米粒子。用此方法可將MnO2沉積在聚合物上制備PPy-MnO2的復(fù)合材料。Dong Zehua等用對(duì)苯磺酸（TSA）為摻雜劑，KMnO4為為氧化劑，在0℃下攪拌24小時(shí)后制得了PPy-MnO2黑色粉末，比電容為376 F/g。魏炳瑞等以2 mL吡咯單體與200 mL去離子水在三口燒瓶中和0.5mol/L酸化高錳酸鉀為原料，在不同溫度下制得了PPy-MnO2復(fù)合材料，當(dāng)在60℃下制得的復(fù)合材料表面積大、空隙多、比電容最大、擴(kuò)散阻抗最小，循環(huán)穩(wěn)定性能也較好?；瘜W(xué)原位聚合法制備過程簡單、成本較低、比較適合規(guī)?；纳a(chǎn)。其不足之處就是體系中的氧化劑難以除去，會(huì)對(duì)材料的性能造成一定的影響。

1.3 其制備他方法

PPy-MnO2的復(fù)合材料的制備除了用電化學(xué)沉積法和化學(xué)原位聚合法外，研究工作者們還用其他的方法合成了二元及三元的復(fù)合材料，充分利用各個(gè)材料的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了其不足之處，制得化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)更加優(yōu)越的復(fù)合材料。李亮等人用一步法制備了PPy-MnO2納米復(fù)合材料，通過循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電位法對(duì)其電化學(xué)性能測試，當(dāng)電流密度為1 A/g時(shí)復(fù)合材料的電流密度可達(dá)到559 F/g，并且保持率可達(dá)98.64%。X. Zhang等制備了間距為1.38 nm的聚吡咯-氧化錳納米復(fù)合材料，室溫下的電導(dǎo)率為0.13 S/cm，比電容可達(dá)到290 F/g。魏端麗等先以模板法制得了一維結(jié)構(gòu)的聚吡咯分子，再通過水熱法制得二氧化錳/碳納米管復(fù)合材料，通過改變二者的不同比例，制得了三種二氧化錳/碳納米管/聚吡咯的復(fù)合材料，該復(fù)合材料復(fù)合比較均勻，且電容性能要比單獨(dú)的聚吡咯或二氧化錳/碳納米管材料有明顯的改善。

2 結(jié)束語

PPy-MnO2復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極中，如何最大可能的發(fā)揮氧化錳的比電容密度依舊是一個(gè)研究熱點(diǎn)，通過優(yōu)化反應(yīng)條件和尋找適合的復(fù)合材料有望制得更優(yōu)質(zhì)的電極材料，提高材料的導(dǎo)電性增強(qiáng)其比表面積使其能儲(chǔ)存更多的電荷，可極大的改善其電化學(xué)性質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉福海，康春萍，李中橋，等.二氧化錳作為超級(jí)電容器電極材料的進(jìn)展研究[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，23 （1）：42-44.

[2]馮輝霞，白德忠，張永臣，等.基于聚吡咯復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化學(xué)新型材料，2017，45（4）：13-18.

作者簡介：

龍光軍（1995- ），男，苗族，貴州省銅仁市人，研究方向：電化學(xué)。