廈門大學Energ.Environ.Sci：用於高性能超級電容器的分子水平均勻的多孔聚苯胺/還原氧化石墨烯自組裝複合材料

【引言】

在各種用於電化學超級電容器的電極材料中，由於聚苯胺（PANI）成本低，環境穩定性好，摻雜/去摻雜的動力學過程快且可逆，因而引起了人們的廣泛關注。聚苯胺的獨特摻雜機理帶來了高的電荷密度， 因此PANI具有較高的比電容。製備基於PANI的電極材料的傳統方法通常涉及苯胺在集流體或其他基底如還原氧化石墨烯（RGO）上的原位聚合。儘管已經通過原位聚合和相關方法製備了許多高性能的基於PANI的電極材料，但這些方法存在明顯不足之處。 主要原因之一是在原位聚合中，難以精確控制PANI組分的形貌和分布。溶液中的自組裝是精確控制複合材料組成的有效方法。PANI在多種有機溶劑中具有良好的溶解性，但溶液法製備PANI電極的報道很少，這可能是因為溶液法難以獲得PANI納米結構，而這些納米結構通常對器件的性能至關重要。

【成果簡介】

近日，廈門大學白華副教授（通訊作者）報道了一種簡便可控的製備分子水平均一的PANI/RGO複合凝膠（PGG）的方法，該方法包括兩個連續的自組裝過程，即聚苯胺在水/ N-甲基-2-吡咯烷酮混合溶劑中氧化石墨烯片上的二維組裝，以及所得到的聚苯胺/氧化石墨烯複合物的三維還原-組裝。所製備的聚苯胺/還原氧化石墨烯複合凝膠具有由還原的氧化石墨烯片組成的三維多孔網狀結構，其上均勻負載了聚苯胺分子，且含量可控。當聚苯胺含量高達80wt%時，在複合材料中仍然可以基本保持單分子水平的分布。由於這種有利的微觀結構，複合材料在53.33Ag-1的電流密度下顯示出808Fg-1的高比電容量，以及出色的倍率性能。相關研究成果以「A Self-assembly Route to Porous Polyaniline/Reduced Graphene Oxide Composite Materials with Molecular-level Uniformity for High-performance Supercapacitors」為題發表在Energ. Environ. Sci上。

【圖文導讀】

圖一 基於自組裝方法製備的PGG溶液示意圖

圖二PGG的照片和SEM圖像

（A）PANI @ GO溶液和PGG-4的照片

（B-E）具有不同PANI含量PGG的SEM圖像（B）58.3％（PGG-1），（C）71.8％（PGG-2），（D）81.3％（PGG-4）和（E）91.0％（PGG-6）比例尺5μm

圖三PANI @ GO和PANI @ RGO納米片的形態

（A）PANI @ GO片材的AFM圖像

（B）（C）PANI @ GO片材的TEM圖像

（D）（E）PANI @ RGO片材的TEM圖像

圖四PGG的電容性能

（A）PGG在5mV s-1，10mV s-1，25mV s-1和50mV s-1的掃描速率下的CV曲線

（B）PGG-4在不同電流密度下的GCD曲線

（C）PGG-4不在同電流密度的電容

（D）PGG-4奈奎斯特圖

（E）對比PGG-4和其他PANI/RGO複合材料在文獻中的比電容

（F）PGG的比電容（約40A g-1）與PGG中的PANI含量

圖五PGG的性能優化圖

（A）在RGO基底上原位聚合苯胺時部分封閉的通道形成的示意圖

（B）在自組裝過程中形成未封閉通道的示意圖

（C）（D）在水/ DMSO混合溶劑中合成的PGG的SEM圖像

（E）在具有不同PANI進料比率的水/DMSO混合溶劑中合成的PGG的比電容

【小結】

本文設計了一種新穎的自組裝方法製備三維多孔PANI/RGO複合材料，用作高性能超級電容器的電極材料。 自組裝方法包括兩個連續的自組裝過程，獲得了由RGO骨架和分子水平均勻負載的PANI組成的三維多孔複合材料。這種有利的微結構有助於電解質的擴散和電子在複合材料中的傳輸，因此實現了高比電容和優異的倍率性能。 這些結果表明，自組裝是用於製備RGO複合電極材料的有前途的方法。此外，還證實GO是一種有效的二維表面活性劑，可與其他分子形成複合物，並使它們進入複雜的自組裝過程。該方法還可以指導我們設計具有各種組成，結構和其他功能的基於RGO的複合材料。

【團隊介紹】

白華副教授團隊在石墨烯/導電聚合物超級電容器領域取得了一系列研究成果。開發了連續電化學沉積的方法製備聚苯胺/石墨烯複合材料（J. Mater. Chem. 2012, 22, 20968-20976），並利用原位聚合的方法製備了聚對苯二酚/石墨烯複合材料，首次將具有超高理論比容量的聚對苯二酚用於電容器儲能（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 16033-16035）。團隊還在給出了解決活性電解質增強超級電容器自放電的策略，設計了基於銅離子電解質的新器件（Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1750-1759），並據此提出了聚合物活性電解質的新概念（J. Mater. Chem. A 2014, 2, 10526-10531），以解決自放電問題。近期該團隊提出了相分離複合電極材料的新結構，通過控制聚苯胺在材料內的分布，實現了聚苯胺/石墨烯複合電極材料超高倍率性能（Adv. Mater. 2016, 28, 10211-10216）；還通過詳細的電化學和光譜研究，揭示了聚苯胺/石墨烯複合材料具有高於理論容量這一普遍現象的原因，為設計相關電極材料提供了理論依據(Energy. Environ. Sci. 2017, 10, 2372)。最近設計了溶液自組裝的方法獲得了分子級別均勻複合的聚苯胺石墨烯複合材料，進一步提高了電極的性能（Energy. Environ. Sci. 2018, DOI: 10.1039/C8EE00078F）。

文獻鏈接：「A Self-assembly Route to Porous Polyaniline/Reduced Graphene Oxide Composite Materials with Molecular-level Uniformity for High-performance Supercapacitors」(Energ. Environ. Sci.2018,DOI：10.1039/C8EE00078F)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯，論文通訊作者白華副教授修正供稿。

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