多巴胺修饰聚噻吩氧化石墨烯复合材料的制备【字数：10974】
摘 要本文主要采用原位聚合和先聚合后复合两种方式制备多巴胺修饰聚（3-己基）噻吩/氧化石墨烯复合材料，使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）以及核磁共振氢谱来表征所得复合材料的结构与组成，并探究其作为超级电容器用电极材料的性能。由电化学工作站，通过循环伏安法、恒电流充放电、交流阻抗研究了不同质量比的复合材料的电化学行为，并计算了比电容值。实验结果发现当单体(3-己基噻吩和多巴胺按摩尔比1:1)与氧化石墨烯按质量比5:1进行原位聚合制备所得的复合材料较未被多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料显示出更高的比电容值。因此，多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料更适合作为超级电容用电极材料。
目录
1. 前言 1
1.1 超级电容器概述 1
1.1.1 超级电容器定义及特点 1
1.1.2 超级电容器分类 1
1.1.3 超级电容器工作原理 1
1.2 共轭聚合物材料概述 2
1.2.1 共轭聚合物材料历史及发展 2
1.2.2 共轭聚合物掺杂原理及导电性能 3
1.2.3 聚噻吩及其衍生物概述 3
1.3 氧化石墨烯材料概述 4
1.3.1 氧化石墨烯结构及性能 4
1.3.2 氧化石墨烯制备方法 5
1.4 本文的研究内容 5
1.5 本文的研究意义 6
2. 实验部分 7
2.1 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的设计及合成 7
2.1.1 先聚合后复合合成复合材料 7
2.1.2 原位聚合合成复合材料 7
2.2 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料合成总结 8
2.3 化学实验 8
2.3.1 试验使用仪器和试剂 8
2.3.2 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的先聚合后复合 10
2.3.3 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的原位聚合 11
2.3.4 氧化石墨烯数据表征 12
2.3.5 聚合物P3HTDA数据表征 12
2.3.6 复合材料H数据表征 12
3. 结果 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
与讨论 14
3.1 红外光谱分析 14
3.2 核磁共振谱图分析 15
3.2.1 聚合物P3HTDA的核磁共振氢谱分析 15
3.3 电化学性能分析 16
3.3.1 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的循环伏安测试分析 16
3.3.2 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的恒电流充放电测试分析 22
3.3.3 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的交流阻抗测试分析 26
3.4 结果讨论 27
参考文献 28
致谢 30
1.前言
1.1超级电容器概述
1.1.1超级电容器定义及特点
未来社会人们将强烈需要具有大能量和功率密度的廉价，灵活和可持续的存储系统[1,2]。超级电容器或电化学电容器是能量存储系统的一种形式，其可以通过电化学双层或快速表面氧化还原反应的电荷存储机制在几秒钟内完全充放电。在过去十几年中，与现代社会人们所常用的锂电池相比，超级电容器因为其储能密度高，充电时间短放电时间长而成为被人们广泛研究的能量存储器件 [3,4]。在过去，电池和传统电容器之间存在阻碍，而超级电容器恰好兼备电池和传统电容器各自的性能，具有较长的使用寿命和环境友好性。除具有良好的高性能之外，灵活、轻薄、可穿戴和折叠使它们成为下一代功率储能器件的理想选择。
1.1.2超级电容器分类
根据不同的能量存储机制，超级电容器可以分为两大类：双电层电容器（EDLC）和赝电容器（PC）[5]。 EDLC根据静电存储机制使用双电层电容来存储电能。而PC则与电活性材料表面的快速可逆法拉第反应有关[6,7]。由于所采用的电极材料自身的性质差异和比表面积的大小，EDLC具有接近传统电容器的能量密度和特定电容值。另一方面，PC具有更高的能量密度和快速的功率密度损失，但代价是更短的使用周期[8]。由于电极/电解质界面处的电荷分离较小以及界面处的法拉第反应导致的赝电容，它们可以存储比EDLC更大的电荷。然而，PC的使用通常仅限于低工作电压。它们还表现出稳定性问题和不满意的高速率能力，这是由于电极材料的电导率低[9]。
1.1.3超级电容器工作原理
由于能量的储存方式与电解液中的离子转化机理不同，超级电容器一般具有两种工作机理：双电层电容机理、氧化还原型电化学电容（赝电容）机理 [1012]。
1、双电层电容机理
双电层电容的储能机理在Helmholtz的双电层理论基础上更加完善。当对双电层电容进行充电时，电解液中的正负电荷会在外加磁场作用下分别向两侧电极进行迁移，并停留在电解液中，因为电解液与电极之间存在阻隔，离子与电荷不能跨过阻隔中和，所以双电层电容更加稳定。当双电层电容器电极与外电路连接进行放电时，随着电极材料中的电子向外转移，电场逐渐消失，电极/电解液表面的电荷转移到电解液中保持体系的电中性，电荷的迁移在外电路产生电流从而释放能量。这就是双电层电容一个完整的能量储存与转化过程。因此，双电层电容C可以采用平行板电容的公式进行计算：
// (11)
式中，C为双电层电容的比电容；εr为电解液的相对介电常数；ε0为真空介电常数；d为双电层的有效厚度(电荷间距)；A为电极材料的表面积[ 13]。
从式（11）可以看出，对双电层电容器来说，电解材料的比表面积越大，储存电荷就越多，双电层电容的比电容就越高。双电层电容器的高比电容主要是通过碳基材料来表现。因此，研究高比表面积的碳基材料以实现最大的比电容是现阶段化学家们制备高性能双电层电容的主要目标之一。
2、赝电容机理
目录
1. 前言 1
1.1 超级电容器概述 1
1.1.1 超级电容器定义及特点 1
1.1.2 超级电容器分类 1
1.1.3 超级电容器工作原理 1
1.2 共轭聚合物材料概述 2
1.2.1 共轭聚合物材料历史及发展 2
1.2.2 共轭聚合物掺杂原理及导电性能 3
1.2.3 聚噻吩及其衍生物概述 3
1.3 氧化石墨烯材料概述 4
1.3.1 氧化石墨烯结构及性能 4
1.3.2 氧化石墨烯制备方法 5
1.4 本文的研究内容 5
1.5 本文的研究意义 6
2. 实验部分 7
2.1 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的设计及合成 7
2.1.1 先聚合后复合合成复合材料 7
2.1.2 原位聚合合成复合材料 7
2.2 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料合成总结 8
2.3 化学实验 8
2.3.1 试验使用仪器和试剂 8
2.3.2 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的先聚合后复合 10
2.3.3 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的原位聚合 11
2.3.4 氧化石墨烯数据表征 12
2.3.5 聚合物P3HTDA数据表征 12
2.3.6 复合材料H数据表征 12
3. 结果 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
与讨论 14
3.1 红外光谱分析 14
3.2 核磁共振谱图分析 15
3.2.1 聚合物P3HTDA的核磁共振氢谱分析 15
3.3 电化学性能分析 16
3.3.1 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的循环伏安测试分析 16
3.3.2 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的恒电流充放电测试分析 22
3.3.3 多巴胺修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的交流阻抗测试分析 26
3.4 结果讨论 27
参考文献 28
致谢 30
1.前言
1.1超级电容器概述
1.1.1超级电容器定义及特点
未来社会人们将强烈需要具有大能量和功率密度的廉价，灵活和可持续的存储系统[1,2]。超级电容器或电化学电容器是能量存储系统的一种形式，其可以通过电化学双层或快速表面氧化还原反应的电荷存储机制在几秒钟内完全充放电。在过去十几年中，与现代社会人们所常用的锂电池相比，超级电容器因为其储能密度高，充电时间短放电时间长而成为被人们广泛研究的能量存储器件 [3,4]。在过去，电池和传统电容器之间存在阻碍，而超级电容器恰好兼备电池和传统电容器各自的性能，具有较长的使用寿命和环境友好性。除具有良好的高性能之外，灵活、轻薄、可穿戴和折叠使它们成为下一代功率储能器件的理想选择。
1.1.2超级电容器分类
根据不同的能量存储机制，超级电容器可以分为两大类：双电层电容器（EDLC）和赝电容器（PC）[5]。 EDLC根据静电存储机制使用双电层电容来存储电能。而PC则与电活性材料表面的快速可逆法拉第反应有关[6,7]。由于所采用的电极材料自身的性质差异和比表面积的大小，EDLC具有接近传统电容器的能量密度和特定电容值。另一方面，PC具有更高的能量密度和快速的功率密度损失，但代价是更短的使用周期[8]。由于电极/电解质界面处的电荷分离较小以及界面处的法拉第反应导致的赝电容，它们可以存储比EDLC更大的电荷。然而，PC的使用通常仅限于低工作电压。它们还表现出稳定性问题和不满意的高速率能力，这是由于电极材料的电导率低[9]。
1.1.3超级电容器工作原理
由于能量的储存方式与电解液中的离子转化机理不同，超级电容器一般具有两种工作机理：双电层电容机理、氧化还原型电化学电容（赝电容）机理 [1012]。
1、双电层电容机理
双电层电容的储能机理在Helmholtz的双电层理论基础上更加完善。当对双电层电容进行充电时，电解液中的正负电荷会在外加磁场作用下分别向两侧电极进行迁移，并停留在电解液中，因为电解液与电极之间存在阻隔，离子与电荷不能跨过阻隔中和，所以双电层电容更加稳定。当双电层电容器电极与外电路连接进行放电时，随着电极材料中的电子向外转移，电场逐渐消失，电极/电解液表面的电荷转移到电解液中保持体系的电中性，电荷的迁移在外电路产生电流从而释放能量。这就是双电层电容一个完整的能量储存与转化过程。因此，双电层电容C可以采用平行板电容的公式进行计算：
// (11)
式中，C为双电层电容的比电容；εr为电解液的相对介电常数；ε0为真空介电常数；d为双电层的有效厚度(电荷间距)；A为电极材料的表面积[ 13]。
从式（11）可以看出，对双电层电容器来说，电解材料的比表面积越大，储存电荷就越多，双电层电容的比电容就越高。双电层电容器的高比电容主要是通过碳基材料来表现。因此，研究高比表面积的碳基材料以实现最大的比电容是现阶段化学家们制备高性能双电层电容的主要目标之一。
2、赝电容机理
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