聚吡咯—氧化锰复合材料研究进展

摘 要：本文综述了聚吡咯-氧化锰复合材料电化学沉积法、化学原位聚合法等制备方法及其在超级电容器中的研究进展，分别例举了各种方法的优缺点和如何改善，展望聚吡咯-氧化锰复合电极材料在将来的发展与应用。

关键词：超级电容器；二氧化锰；聚吡咯

0 引言

伴随着科学技术的发展各种仪器和设施得到了进一步的升级和改进，对能源的要求也越来越高，传统能源逐渐难以满足新领域的能源需求。超级电容器是一种应用广泛具有前景的储能设备，具有电容量大 功率高 充放电快稳定性好无污染等优点，被广泛运用于汽车、通讯、军事、航天、电子、医学设备等诸多领域。电极是超级电容器的重要組成部分，主要分为炭电极、金属氧化物电极、聚合物电极或是他们的复合物组成。MnO2具有储量大、廉价、比表面积大、可逆性好、电化学性能稳定、环境友好型等优点，其理论比电容可高达1370F/g，但是MnO2导电性差且难溶解，导致其实际比电容与理论值相差甚远[1]。通过电化学、化学等复合的方法可将氧化锰与具有高导电性、高比表面积、电化学性质稳定、制备简便、易于与其他物质复合等优点的PPy制成PPy-MnO2复合材料。通过循环伏安法、恒流充放电、交流阻抗测试其电化学性能，并用X射线衍射、红外光谱、扫描电子显微镜对复合材料的结构和形貌进行测试[2]。

1 聚吡咯-氧化锰的复合

PPy具有制备工艺简单、比电容高、电导率可控、稳定无污染、且易于与其他材料复合等优点，但其充放电时分子链容易收缩或膨胀使链状结构破坏，极大的限制他的使用寿命和载电荷能力，通过结合MnO2的比表面积大、可逆性高、电化学性能稳定等性能，可制得性能更加优越的复合材料。目前制备PPy-MnO2复合材料的方法主要有电化学沉积法和化学原位聚合法。

1.1 电化学沉积法

电化学沉积法是指在含聚合物单体的溶液中，采用恒电流、恒电位、循环伏安法等使吡咯单体和掺杂物在阳极发生聚合，沉积在电极表面生成聚合物粉末或薄膜。电化学沉积法可通过调节聚合电位、聚合电流、电解液、体系温度、支持电解质和溶剂等改变不同的合成条件，从而制的形貌不同的复合材料。Sharma R. K.等用0.1 mol/L吡咯和0.2 mol/L MnSO4 在0.5 mol/L H2SO4的电解液中，以抛光石墨为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为辅助电极组成的三电极体系，4mA/cm2的恒电流进行200s共沉积聚合，制得比电容为620 F/g的PPy-MnO2纳米复合材料。聚吡咯分子通过包裹氧化锰使聚吡咯分子与氧化锰紧密镶嵌在一起，有利于电荷的传递。通过复合材料的电化学性质要比由单一材料的电化学性质更加优越。

1.2 化学原位聚合法

化学原位聚合是一种把反应物单体与催化剂全部加入分散相，由于单体在单一相中是可以容的，而单体形成的聚合物在整个体系中是不可溶的，所以反应开始后，单体聚合成预聚体，当预聚体聚合尺寸逐步增大后生成纳米粒子。用此方法可将MnO2沉积在聚合物上制备PPy-MnO2的复合材料。Dong Zehua等用对苯磺酸（TSA）为掺杂剂，KMnO4为为氧化剂，在0℃下搅拌24小时后制得了PPy-MnO2黑色粉末，比电容为376 F/g。魏炳瑞等以2 mL吡咯单体与200 mL去离子水在三口烧瓶中和0.5mol/L酸化高锰酸钾为原料，在不同温度下制得了PPy-MnO2复合材料，当在60℃下制得的复合材料表面积大、空隙多、比电容最大、扩散阻抗最小，循环稳定性能也较好。化学原位聚合法制备过程简单、成本较低、比较适合规模化的生产。其不足之处就是体系中的氧化剂难以除去，会对材料的性能造成一定的影响。

1.3 其制备他方法

PPy-MnO2的复合材料的制备除了用电化学沉积法和化学原位聚合法外，研究工作者们还用其他的方法合成了二元及三元的复合材料，充分利用各个材料的优点弥补了其不足之处，制得化学和电化学性质更加优越的复合材料。李亮等人用一步法制备了PPy-MnO2纳米复合材料，通过循环伏安法和计时电位法对其电化学性能测试，当电流密度为1 A/g时复合材料的电流密度可达到559 F/g，并且保持率可达98.64%。X. Zhang等制备了间距为1.38 nm的聚吡咯-氧化锰纳米复合材料，室温下的电导率为0.13 S/cm，比电容可达到290 F/g。魏端丽等先以模板法制得了一维结构的聚吡咯分子，再通过水热法制得二氧化锰/碳纳米管复合材料，通过改变二者的不同比例，制得了三种二氧化锰/碳纳米管/聚吡咯的复合材料，该复合材料复合比较均匀，且电容性能要比单独的聚吡咯或二氧化锰/碳纳米管材料有明显的改善。

2 结束语

PPy-MnO2复合材料广泛应用于超级电容器的电极中，如何最大可能的发挥氧化锰的比电容密度依旧是一个研究热点，通过优化反应条件和寻找适合的复合材料有望制得更优质的电极材料，提高材料的导电性增强其比表面积使其能储存更多的电荷，可极大的改善其电化学性质。

参考文献：

[1]刘福海，康春萍，李中桥，等.二氧化锰作为超级电容器电极材料的进展研究[J].东莞理工学院学报，2016，23 （1）：42-44.

[2]冯辉霞，白德忠，张永臣，等.基于聚吡咯复合材料的制备及其应用研究进展[J].化学新型材料，2017，45（4）：13-18.

作者简介：

龙光军（1995- ），男，苗族，贵州省铜仁市人，研究方向：电化学。