聚吡咯/二氧化锰复合材料的合成及电化学性能研究

魏炳瑞(太原师范学院化学系，山西 太原 030031)

21 世纪科技高速发展，电池和静电电容器这两类储能器件已经不能满足人们生产、生活的需要。新型的超级电容器与静电电容器的功率密度相近，与电池的电荷储存能力相仿，而且在耐温和维护等方面优势明显。在材料科学研究领域，导电聚合物重量较轻、可加工性好，抗腐蚀性好、电子传输能力强，应用前景广阔，其中聚吡咯以合成简单、导电率高、环境稳定性好、电荷贮存能力强等优点成为近来的研究热点。聚吡咯的制备方法主要有电化学聚合法、化学氧化法、模板法等，其中化学氧化法工艺简单，成本较低，最为常用。本文以水为介质，高锰酸钾为氧化剂，利用化学氧化法制备了系列聚吡咯/二氧化锰复合材料，并考察了温度对其电化学性能的影响。

1 实验研究

(1)实验主要仪器及试剂 仪器:傅里叶变换红外光谱仪；X 射线衍射仪；扫描电子显微镜；电化学工作站等。

试剂:吡咯；高锰酸钾；硫酸钠；丙酮(均为分析纯)等。

(2)实验过程 ①聚吡咯/二氧化锰复合材料的合成釆取2mL 吡咯和200mL 去离子水混合均匀后置于三口烧瓶中，将配置好后用盐酸酸化过的0.5mol/L 的高锰酸钾水溶液用恒压滴液漏斗缓慢加入到该三口烧瓶中，在特定温度下用电动搅拌器搅拌8h 后停止反应，将产物抽滤，然后用丙酮和去离子水各洗涤3 次至滤液呈无色，在60℃的恒温箱中干燥10h，即得到系列复合材料。

注：将反应温度0℃、20℃、40℃、60℃下制备的复合材料编号为A、B、C、D 样品。

②复合材料的结构表征釆用美国赛默飞生产的Nicolet is5 傅里叶变换红外光谱仪对样品的成分和结构进行表征；用日本理学生产的Rigaku D/max-2500 X 射线衍射仪对样品粉末进行晶相分析；用日本日立高新生产的SU3500 扫描电子显微镜观察样品的微观形貌。

③复合材料的电化学性能测试釆用北京华科普天科技公司生产的CHI660D 型电化学工作站进行复合材料样品的电化学性能测试。其中循环伏安和恒流充放电测试用复合材料作工作电极，铂丝作对电极，Ag/AgCl 电极作参比电极，电解液为0.5mol/L 的硫酸钠溶液，电势范围为-0.4～0.8V。交流阻抗测试初始电位为开路电势，测试频率范围为10-2～105Hz，电位稳定时间为2s，其余条件同上。循环性能测试采用0.5Ag-1的电流密度对复合材料进行恒流充放电，通过分析放电容量随循环次数的变化来评价电容器容量的稳定性。

2 结果与讨论

(1)复合材料的结构表征分析 ①IR 测试釆将样品的IR谱图与标准图库对比，1541cm-1和1449-1出现的吸收峰为聚吡咯环的C=C 特征吸收峰，1382cm-1和1041cm-1处出现的是聚吡咯环的C-N 吸收峰，3403cm-1处较强的则为聚吡咯环的N-H 伸缩振动峰，这表明合成的为聚吡咯。

②XRD 测试釆样品的XRD 图中主要衍射峰2θ 为22°，这也表明合成的为聚吡咯，在22.4°、26.3°处出现较宽的衍射峰，则说明聚吡咯存在一定程度的晶化。

③SEM 测试釆对比不同温度下制备的样品的SEM 图可知，温度较低时制备的A 样品呈不定型结块，且随着温度增高，B、C样品的结块逐渐减少，60℃时制备的D 样品呈球形，颗粒细致均匀，无结块，单位体积内电极活性物质的表面积大、空隙多。

(2)复合材料的电化学性能测试分析 ①循化伏安测试。当实验扫速为30mV s-1时，4 种复合材料样品的CV 曲线都接近于矩形，且随着扫速增大，它们的CV 曲线都发生变形，但是温度较低时制备的A、B、C 样品变形较大，当扫速达90mV s-1下，D 样品的CV 曲线仍保持对称性较好、较规则的矩形。

②恒流充放电测试釆在0.5A g-1的电流密度下对4 种样品进行恒流充放电测试，它们的实验曲线都有一定的对称性，D 样品的尤为明显，根据公式可以计算，其比电容量也最大；增大电流密度后，D 样品的电容降低趋势也最为平缓，说明其倍率特性较好。

③交流阻抗测试釆对比4 种样品的交流阻抗曲线，样品制备的温度越低，其在高频区的Rs 和Rct 越大，即测试表明D 样品的扩散阻抗最小。

④循环性能测试釆将D 样品在0.5A g-1的电流密度下进行了800 次恒流充放电测试，经过800 次充放电后其比电容衰减到初始值的92.6%，说明其循环稳定性能很好。

[1]马慧荣,李梅,徐清钢,等.导电聚吡咯的研究进展[J].山东轻工业学院学报,2011,25(1)：14-18.

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