碳纳米管/导电高分子复合气凝胶的合成与电化学性能研究

气凝胶是具有低密度和高比表面积的高度多孔性纳米材料，它一般是采用超临界干燥把湿凝胶中的液体用气体来置换而不显著改变凝胶网络的结构或者体积而得到的。碳纳米管/导电高分子纳米复合材料由于结合了碳纳米管和导电高分子各自优异的性能，而且往往具有协同效应，因而在许多领域都具有很广泛的应用前景。迄今为止，还未见到碳纳米管/导电高分子复合气凝胶的合成与性能研究的报道。本课题从气凝胶的设计出发，分别选择碳纳米管和导电高分子作为气凝胶的组分单元，采用原位复合的方式，首先形成碳纳米管/导电高分子纳米复合湿凝胶，然后采用超临界干燥的方式，把获得的湿凝胶再转变为气凝胶。合成出的碳纳米管/导电高分子复合气凝胶则采用电化学的方法，研究其电化学充放电行为，探索其作为电化学电容器电极材料的可行性。

分别选择聚(3,4-乙撑二氧)噻吩(PEDOT):聚苯乙烯磺酸钠（PSS）络合物和多壁碳纳米管（MWCNT,包括羧基化和未羧基化两种）作为导电高分子和碳纳米管模型组分，开展碳纳米管/导电高分子复合气凝胶的合成与电化学性能研究。采用聚乙烯醇(PVA)辅助分散技术，分别实现了PEDOT-PSS/MWCNT及PEDOT-PSS/c-MWCNT两种复合气凝胶的控制合成，证明了碳纳米管的存在，能显著提高导电高分子气凝胶的比表面积、电导率和热稳定性；获得的复合气凝胶具有超轻（0.044-0.062 g/cm3）、比表面积大（280-400 m2/g）和孔径分布宽等显著结构特征。电化学研究结果表明，尽管碳纳米管的存在，能够使导电高分子气凝胶的比电容值提高约3倍，但获得的复合气凝胶的比电容值仍不超过100 F/g。造成这一结果的根本原因在于不导电PSS组分的存在，使得复合气凝胶的理论电化学电容值急剧降低。因此，在完成项目所有研究内容的基础上，我们采用乳液聚合技术，开展了全导电高分子PEDOT:PEDOT-S（聚4-(2,3-二氢噻吩并[3,4-b][1,4]二噁英-2-基)甲氧基丁烷-1-磺酸盐）的设计、合成及物理化学性能研究，成功地获得了上述全导电高分子气凝胶。该气凝胶不仅具有类似的超轻、比表面积大、孔径分布宽等结构特征，而且在染料吸附、重金属离子脱除、电化学电容方面比PEDOT:PSS气凝胶具有明显的优势。我们期望在下一步研究中，能够用该气凝胶代替PEDOT:PSS气凝胶从而再次研究导电高分子/碳纳米管复合气凝胶的电化学性能。在该项目经费的支持下，我们也开展了石墨烯及其气凝胶相关材料的合成及性能研究工作，获得了一批很有意义的研究成果。