环境材料与生态化学研究发展中心知识库

超级电容器作为一种新型的储能器件，由于具有超高的功率密度和较长的循环使用寿命而受到广泛关注。其中，电极材料是超级电容器的核心部件，电极材料的性能直接决定了超级电容器的性能。近年来，具有杂化结构的电活性材料的制备，在超级电容器电极材料领域显示出了极大的优势，该类材料不但比表面积较大、结构特殊，并且电化学性能优异，因此开展新型、廉价、简易杂化结构的超级电容器电极材料的设计和研究具有重要的意义。本论文以廉价的二氧化锰和聚苯胺为主要研究对象，采用简单方法开发了一系列新型杂化超级电容器电极材料，取得的主要研究结果如下：

（1）采用磺化聚苯乙烯微球为模板，通过层层自组装技术交替吸附氨基化的二氧化锰纳米颗粒和羧基化的多壁碳纳米管，达到目标吸附层数后，利用DMF溶解刻蚀聚苯乙烯模板，制备得到二氧化锰/多壁碳纳米管杂化中空微球，并考察了不同吸附层数对材料电化学性能的影响，揭示了材料结构与电化学性能之间的构效关系，克服单一组分比电容较低的缺点，结果表明，制备的杂化中空球比电容最大可达169 F g^-1，循环测试800次之后，比电容仍然保持82%；

（2）利用天然一维凹凸棒石和埃洛石为基材，通过葡萄糖水热碳化以及高温活化在其表面负载碳层，然后原位负载聚苯胺或二氧化锰，制备得到一系列一维纳米黏土为基材的碳/聚苯胺、碳/二氧化锰多元杂化复合材料，发现一维黏土的添加有效阻止了碳层的均向成球及后续聚苯胺及二氧化锰的团聚，显著改善了材料的结构，有利于电解液离子的扩散与传输，大幅提升了材料的电化学性能，研究结果表明，凹凸棒石导向的碳/聚苯胺、碳/二氧化锰及埃洛石导向的碳/二氧化锰的最大比电容分别为325 F g^-1、216 F g^-1和274 F g^-1；

（3）基于上述凹凸棒石/碳/聚苯胺、埃洛石/碳/二氧化锰多元杂化复合材料，利用HF和HCl交替刻蚀去除模板后，制备得到碳/聚苯胺和碳/二氧化锰杂化纳米管，结果表明碳层和聚苯胺或二氧化锰之间可以相互支撑保持较为完整的管状结构，杂化材料的比表面积较大，有效缩短了电解液离子的传输距离，大大有利于电化学性能的提高。研究结果表明，碳/聚苯胺纳米管和碳/二氧化锰纳米管的比电容最大分别可达274 F g^-1和239 F g^-1；

（4）利用天然中空木棉纤维为基材，表面吸附苯胺原位聚合后形成聚苯胺包覆的木棉纤维，通过控制掺杂酸种类有效控制木棉纤维表面聚苯胺的形貌，考察形貌、单体浓度与电化学性能之间的构效关系。研究结果表明，木棉纤维的加入可以有效诱导聚苯胺的异向沉积，形成较为均匀的包覆层，使得该类杂化材料有望应用于超级电容器电极材料。