ChemElectroChem:通过Nafion掺杂来提高聚苯胺比电容和稳定性

  • 720
  • A+

作为一种导电聚合物,聚苯胺(PANI)具有多种氧化还原态、理论赝电容高(960 F/g)、易于合成等优势,而被广泛用作超级电容器电极材料。由于分子链间的π-π相互作用导致PANI容易聚集或团聚,进而与电解液接触不充分(图1 a),因此PANI的利用率和实际比电容低。

图1. PANI(a)、Nafion掺杂PANI(b)的电解质扩散过程,在不同扫描速率下的比电容比较(c)

此前,中国广西师范大学钟新仙教授与韩国国立韩巴大学Jang Myoun Ko教授报道的Nafion掺杂PANI复合材料均表现出比纯PANI更高的比电容。然而澳大利亚伍伦贡大学Gordon G. Wallace教授制备的Nafion掺杂PANI复合材料显示出了比纯PANI更低的比电容。产生矛盾的原因是:Nafion本身不提供电容,当掺杂过量的Nafion势必会降低复合材料的比电容。因此Nafion的掺杂量对PANI的比电容有重要影响。目前尚未报道关于Nafion掺杂量对PANI电化学性能的影响。基于以上考虑,湖北工业大学胡圣飞教授、付旭东博士团队报道了在苯胺单体与Nafion溶液中采用原位化学聚合法制备出了Nafion掺杂PANI复合材料。通过调控苯胺与Nafion的质量比,研究Nafion掺杂量对PANI的电化学性能影响。

图2. 1 mV/s扫描速率与1.25 A/g电流密度时比电容与Nafion/苯胺质量比的关系曲线

在PANI中掺杂Nafion后,由于PANI的氨基与Nafion的磺酸基之间的静电相互作用增大了PANI相邻分子链的间距(图1 b),因此PANI分子链可以更充分地与电解质接触,提高了PANI的利用率。由图1 c和图2可知,与PANI相比,当Nafion/苯胺的质量比优化到1:0.05(即P1-0.05Naf)时表现出更高的比电容。经过图3中的循环稳定性测试,随着Nafion掺杂含量增加,由于Nafion能够稳定PANI在充电过程中形成的自由基阳离子,因此Nafion掺杂PANI复合材料(P1-0.05Naf,P1-0.1Naf,P1-0.2Naf和P1-0.5Naf)的电容保持率也逐渐增加,且均高于PANI。本工作为提高PANI电极材料的比电容提供了一种简便的方法,并且为未来开发基于Nafion膜的柔性超级电容器奠定了基础。

图3. PANI与Nafion掺杂PANI复合材料(P1-0.05Naf,P1-0.1Naf,P1-0.2Naf和P1-0.5Naf)的循环稳定性测试

文信息

Enhanced specific capacitance and stability of polyaniline by Nafion doping

Xudong Fu, Chunguang Xia, Jingwen Qu, Shulin Lei, Xingping Zuo, Zihan Mao, Qingting Liu, Ping Luo, Rong Zhang, and Shengfei Hu

文章第一作者为付旭东


ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202200312


weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论: