导电聚合物水凝胶/碳材料复合体系的形成及超电容特性研究

In this project, we focused on the key issues in supercapacitor electrode materials to investigate the component design, controllable preparation and capacitive property optimization of the composite systems based on conducting polymer hydrogel and carbon materials, aiming at the achievement of the advanced electrode material with large specific energy density and good cycle stability. The participation of conducting polymer component could increase the energy density of the composites, and the enhancement effect in mechanically came from the hiberarchy of the conductive hydrogel as well as the good mechanical elasticity offered from the carbon materials could endow the composite with long cycle life. We will develop the new approach in experimentally such as combining the supermolecular self-assembly and in-situ chemical polymerization as well as the interfacial interaction to achieve the one step controllable preparation of the composite system. Also, we will study systematically the the relationship between the capacitive properties of the composites and microstructure of the materials, to realize the optimization of the capacitive properties. In theory, by using molecular simulation and quantum chemistry calculation to study the molecular conformation, chain packing and inferfacial interaction of the composite systems, and stuggest the corrospounding theoretical model for improving the capacitive properties of the composite systems are also the important content of this item.

针对超级电容器电极材料在能量密度、循环使用寿命等方面存在的现实问题，本项目拟开展导电聚合物水凝胶/碳材料复合体系的组分设计、可控制备及电容性质优化研究，旨在获得高能量密度、高功率密度和长循环寿命的先进电极材料。导电聚合物组分的参与能提高复合材料的能量密度，其水凝胶特殊分级结构的力学增强效应以及碳材料的良好机械弹性可赋予复合材料更长的循环使用寿命。在实验上，采用超分子自组装/原位化学聚合/界面相互作用同步进行的策略，利用导电聚合物单体、阴离子聚电解质、多价阳离子、碳材料间的相互作用实现复合材料的可控制备。系统研究复合材料的宏观电容性质，揭示其与材料微观结构的内在关系，实现其电容性质的优化。在理论上，运用分子模拟、量化计算等手段研究体系的分子构象、链堆砌及界面相互作用等，分析载流子的迁移和导电聚合物氧化态变化等过程，建立复合材料电容性质提升的理论模型，为改进并完善复合电极材料体系提供理论依据。

本项目通过对导电聚合物/碳材料的复合体系的结构设计及对材料分子结构、微观形貌、电化学活性等性质的系统研究，探讨了材料微观形态的形成机制及其与材料宏观性质间的内在关系等科学问题，建立并完善了不同材料的电容性质优化的模型及机制，最终得到一系列兼具高能量密度、高功率密度和长循环使用寿命的超级电容器电极材料。本工作的特点是巧妙地将导电聚合物与碳材料相结合，在设计思路上注重多重结构的复合，在方法学上实现简便、易行、低成本的绿色合成，在研究目标上瞄准高科技发展领域迫切需要解决的关键问题。例如，将氧化石墨烯与吡咯和二价铜离子相互作用，调节温度同时实现吡咯的聚合和氧化石墨烯的还原，由此制得兼具有高力学强度及优异超电容性质的石墨烯/聚吡咯复合水凝胶；利用碘与碘离子相互转变时所对应的氧化能力与还原能力，同时引发聚苯胺的形成和还原氧化石墨烯并实现对聚苯胺的掺杂，从而构筑得到具高比电容及高倍率性能的石墨烯/聚苯胺复合水凝胶；将制备得的具有褶皱并且多孔结构的氧化石墨烯/吡咯复合薄膜热处理，吡咯充当还原剂和氮源，在还原氧化石墨烯的同时完成其对石墨烯的氮掺杂，由此制备得到具良好导电性、可直接作为电极材料使用的氮掺杂石墨烯薄膜；采用植酸作为掺杂酸原位聚合苯胺制备得到富含氮、磷、氧元素的植酸掺杂导电聚苯胺，其中植酸还在材料后续碳化过程中充当富磷活化剂从而得到具有宽的电势窗及高能量密度的氮磷氧共掺杂的碳材料。此外，在基于金属硫化物(氧化物或氢氧化物)/碳（导电聚合物）的功能复合材料的结构设计、制备及其超电容特性研究方面也有较好进展，研究了具有多孔结构、显示高能量密度的硫化钴/还原氧化石墨复合物以及具有纳米分级片结构、显示优异超电容性质的石墨烯/钴镍双氢氧化物复合物等。上述研究成果具有创新性，对相关材料的进一步研究及推向实际应用具有指导性，对开发具有自主知识产权的功能新材料及新技术具有重要的战略意义和实用价值。