我院白华课题组在聚苯胺/还原氧化石墨烯（PANI/RGO）电极材料研究方面取得新进展。该课题组提出了一种简便可控的自组装方法，成功制备了分子水平均匀的PANI/RGO复合凝胶（PGG）。该方法大幅度提高了电极材料的比电容和倍率性能，相关研究成果以“A Self-assembly Route to Porous Polyaniline/Reduced Graphene Oxide Composite Materials with Molecular-level Uniformity for High-performance Supercapacitors”为题发表在能源领域顶级期刊Energy Environ. Sci.上。
Fig. 1. Schematic illustration of solution-based self-assembly method for preparation of PGGs.
Fig. 2. Capacitive performance of PGG. (A) CV curves of PGG-4 at the scan rate of 5 mV s−1, 10 mV s−1, 25 mV s−1 and 50 mV s−1. (B) GCD curves of PGG-4 at the different current density. (C) Specific capacitances of PGG-4 versus current densities. (D) Nyquist plots of PGG-4. (E) Comparison of the specific capacitances of PGG-4 and other PANI/RGO composite materials in literature. All the specific capacitance values are corresponding to the highest current density reported in literature. (F) Specific capacitance of PGGs (at ~ 40 A g−1) versus PANI content in PGGs.
PANI具有赝电容高、稳定性好和掺杂/去掺杂反应可逆等优点，而RGO则能提供高导电和大比表面积。PANI与RGO的复合能将两种材料的优势进行互补产生协同作用。而传统的PANI/RGO电极材料的制备通常聚焦于苯胺在还原RGO上的原位聚合，其不足之处在于难以精确控制PANI组分的形貌和分布来优化材料电子转移和电解质的扩散。白华课题组巧妙利用了PANI的溶解性，设计了溶液中的自组装方法以制备PANI/RGO复合材料。该方法包括两个连续的自组装过程，即PANI在水/ N-甲基-2-吡咯烷酮混合溶剂中氧化石墨烯（GO）片上的二维组装，以及所得到的PANI@GO复合物片的三维还原-组装。所制备的PANI/RGO复合凝胶具有由还原的氧化石墨烯片组成的三维多孔网状结构，其上均匀负载了PANI分子，且含量可控（Fig. 1）。当PANI含量高达80wt%时，在复合材料中仍然可以基本保持单分子水平的分布。由于这种有利的微观结构，复合材料在53.33 A g−1的电流密度下显示出808 F g−1的高比电容量，以及出色的倍率性能（Fig. 2）。这种三维多孔网状结构有助于电解质的扩散和电子在复合材料中的传输，因此实现了高比电容和优异的倍率性能。这一工作的研究结果表明，自组装是用于制备RGO复合电极材料的重要方法。此外，本工作还证实了GO是一种有效的二维表面活性剂，可与其他分子形成复合物，并使它们进入复杂的自组装过程。该方法还可以指导我们设计具有各种组成，结构和其他功能的基于RGO的复合材料。
该论文的第一作者为我院已毕业2016届硕士生巫继锋，我院张勤娥（2015级硕士生）、王菁菁（2014级博士生）、黄晓萍（2016级硕士生）参与了论文的部分工作。该工作得到国家自然科学基金和福建省青年拔尖人才项目的大力资助。
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