纳米电极上单颗导电聚合物纳米粒子的可控制备及其电化学性能研究

Nanostructured conducting polymers have been widely used in electrode materials for supercapacitor. However, due to the heterogeneous nanostructures and the uncontrollable pore size and structure between nanoparticles, it is still has some extent challenge to effectively evaluate the intrinsic properties and deeply investigate the structure-performance relationship of the nanostructured conducting polymers. In this project, a novel method is designed to study the electrochemical performance of single conducting polymer nanoparticle by taking advantage of the small size of nanoelectrode. Firstly, by optimizing the radius of nanoelectrodes, electrochemical experiment parameters, monomer concentration, anion concentration and species，solvent, electrolyte pH and temperature, we will use cyclic voltammetry, chronoamperometry or chronopotentiometry to controllably polymerize single polypyrrole (PPy) nanoparticle on Au or Pt nanoelectrodes. Secondly, galvanostatic charge and discharge, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy and SEM will be employed to obtain the electrochemical capacitance performance of the single PPy nanoparticle with different shape and size on nanoelectrode and investigate the inherent structure-performance relationship. Finally, electrochemical methods and SEM will be used to study the electropolymerization process and the nucleation and growth mechanism on the single particle level. We intend to set up a research method to investigate the electrochemical performance of single nanostructured conductive polymer based on nanoelectrodes.

纳米结构导电聚合物广泛应用于超级电容器的电极活性材料中，但其结构的不均一性以及粒子间孔隙结构的不可控性使材料本征性能的评估和构效关系的深入研究仍具有一定的挑战性。本项目拟利用纳米电极的尺寸优势，发展单颗粒导电聚合物电化学研究的新方法。具体思路为：（1）采用循环伏安法、计时电流或者计时电位法，通过优化纳米电极尺寸、电化学实验参数、单体的浓度、掺杂对离子的种类与浓度、溶剂的种类、溶液的pH以及温度等参数实现Au或Pt纳米电极上单颗聚吡咯纳米粒子的可控原位电聚合；（2）通过恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗法以及SEM获得纳米电极上不同形貌尺寸的单颗聚吡咯纳米粒子的电化学电容性能并分析其内在的构效关系；（3）利用电化学研究方法以及SEM，从单颗粒层面对聚吡咯电聚合过程及成核生长机理进行深入研究。本项目旨在建立一种基于纳米电极的单个纳米结构导电聚合物的可控制备和电化学性能的研究方法。

纳米结构导电聚合物广泛应用于超级电容器的电极活性材料中，针对纳米结构的不均一性以及粒子间孔隙结构的不可控性给材料本征性能的评估和构效关系的深入研究带来的挑战，在本项目中，我们首先利用纳米电极的尺寸优势，采用循环伏安法、计时电流和计时电位法，通过改变电解液 pH、吡咯单体的浓度、阴离子的种类以及温度等因素，在Au纳米电极上制备了单个或若干个聚吡咯纳米粒子。再通过恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗法、SEM以及拉曼光谱获得了不同尺寸电极上聚吡咯纳米粒子的电化学电容性能并分析了其内在的构效关系，同时利用电化学研究方法以及SEM，对纳米电极上聚吡咯电聚合过程进行了研究。本项目建立了一种基于纳米电极的单个或若干个纳米结构导电聚合物的制备和电化学性能的研究方法。本项目研究表明，在相同的沉积电位下，电极尺寸越小聚合电流密度越大，边缘效应越显著，且在纳米电极上吡咯聚合的计时电流曲线出现显著的电化学振荡现象，与循环伏安判据结论一致；吡咯聚合时的电极电位对纳米电极上聚吡咯的成核生长过程比在大电极上显著得多，进而导致其质量比电容发生百倍的变化；在相同的聚合电流密度下，电极尺寸由毫米级到纳米级变化时，聚吡咯的形貌和电化学性能发生显著的变化，且在纳米电极上聚合得到的聚吡咯具有更多的氧化态C=C骨架结构，更有利于其电容量发挥。这些研究工作可为后续开发性能更优的基于导电聚合物的超级电容器提供理论及实践依据。