CN110349760A - 一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极及其制备方法与应用，涉及电极材料；所述的制备方法，包括以下步骤：将柚子皮炭材料与nafion溶液、无水乙醇均匀混合得浆状物，再把浆状物均匀涂在预处理好的玻碳电极表面，置于干燥器中干燥12h，得到覆盖有均匀柚子皮炭膜的电极；再将该电极采用循环伏安法分别与聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯进行电化学复合，得到柚子皮炭与不同聚合物的复合电极。

Description

一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及电极材料，尤其是一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极及其制备方法与应用。
背景技术
随着科学技术的进步、社会经济的发展以及人口急剧增长，对能源的消耗也越来越大，不可再生资源的枯竭迫切要求可再生资源发挥其替代作用，同时要求对不可再生资源的可持续、有效利用，充分发挥其潜能。现有的传统能源***也已经无法满足现代工业、农业、林业等发展的需求，燃油和煤碳资源不仅不可再生，在使用消耗过程中还会产生大量的CO2、SO2等有害物质，带来很严重的环境污染。这就促使人们更加重视建立新的、有效的能源供应体系，以保证经济的可持续增长，同时还会对保护环境有益处。其中，开发新能源和可再生清洁能源是当前解决这一问题最有效的方法，是21世纪必须解决的关键技术之一，新能源材料则是实现新能源的开发和利用，并支撑它发展的基础和核心。
电池行业是新能源应用领域的一个重要组成部分，因为电能作为能量利用的最终存在形式，已经成为人类生产和社会发展不可缺少的源动力。对动力电源的开发人们首先想到的就是拥有高能量密度的锂离子电池，但是锂电作为动力电源时，具有一个明显的缺点就是功率密度较小，以至于无法满足高功率放电的需要，这个缺陷已成为限制其发展的主要障碍。所以，能够快速充放电的超级电容器成为一个新的研究热点，但是超级电容器的电荷存储密度太低，使其无法长时间供电，限制了其作为动力电源的应用前景。
超级电容器，是一种介于传统电容器和充电电池之间的装置，它具有快速充放电、环境友好、高功率密度、超长循环寿命、无污染及工作温度范围宽等特点。目前，主要有金属氧化物、导电聚合物、活性碳材料及很多掺杂型复合材料被用作其电极材料。活性碳作为电极材料的电容器研究历史较长，技术也最成熟，但其生产工艺复杂、生产周期长，而且容量普遍都比较低，限制了超级电容器的应用。
近些年来，小型化、便携式以及可穿戴的电子产品逐渐成为发展趋势。对于可伸缩、可弯曲、可折叠的电子器件，同样需要具有柔性的电化学储能装置。导电高分子聚合物及其各种复合材料的研究与制备逐渐成为目前的热点。
发明内容
本发明旨在提供一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极及其制备方法及应用。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是这样的：一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极的制备方法，包括以下步骤：
将柚子皮炭材料与nafion溶液、无水乙醇均匀混合得浆状物，再把浆状物均匀涂在预处理好的玻碳电极表面，置于干燥器中干燥12h，得到覆盖有均匀柚子皮炭膜的电极；再将该电极采用循环伏安法分别与聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯进行电化学复合，得到柚子皮炭与不同聚合物的复合电极。
所述柚子皮炭材料与nafion溶液、无水乙醇的料液比为10mg：4微升：0.2毫升。
所述循环伏安法电沉积时，采用的电解液为0.2mol/L苯胺与0.5mol/L的硫酸混合液。
一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极，如上所述方法制备而得。
一种如上所述柚子皮碳与高分子聚合物复合电极应用于超级电容器。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
导电聚合物虽然能够表现出很高的功率密度，但同样是因为它的比容量比较低而使其应用受到很大的限制。本文尝试将自制的柚子皮炭与聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩分别进行复合，并对其电化学性能进行了初步研究。
本发明提供了一种操作简单、易于控制的方法，将自制的柚子皮炭与聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩分别进行复合，并对其电化学性能进行了表征。希望能够为柔性点击材料的发展多提供一些思路。
附图说明
图1是在涂有柚子皮炭膜的玻碳电极上电沉积聚苯胺；
图2是柚子皮炭与聚苯胺复合材料的循环伏安性能；
图3是柚子皮炭与聚苯胺复合材料的充放电测试；
图4是柚子皮炭与聚苯胺复合材料的循环性能测试；
图5是柚子皮炭与聚吡咯复合材料的循环伏安性能；
图6是柚子皮炭与聚苯胺复合材料的充放电测试；
图7是柚子皮炭与聚噻吩复合材料的循环伏安性能；
图8是柚子皮炭与聚苯胺复合材料的充放电测试。
具体实施方式
本发明通过以下具体实施例对上述权利要求做进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限定。
实施例1
柚子皮炭与聚苯胺复合材料
将覆盖有均匀柚子皮炭膜的电极作为工作电极，钛片作为对电极，汞/硫酸亚汞电极作为参比电极，用0.2mol/L苯胺与0.5mol/L浓硫酸的混合液作为电解液，在电势范围为-0.8V-1.4V，扫描速率为0.02V/s的条件下进行电沉积，电沉积完毕后，放于干燥器中干燥12h，得到柚子皮炭与聚苯胺的复合材料。
然后以所制得的复合电极作为工作电极，汞/硫酸亚汞电极为参比电极，钛片电极为对电极，以0.5mol/L硫酸为电解液，在电势窗为-0.7V-0.1V，扫描速度分别为0.01V/s、0.02V/s、0.05V/s进行循环伏安测试；在电势窗为-0.7V-0.2V，不同的电流密度下进行恒流充放电测试；在电压振幅为10mV，频率范围为10-2Hz～105Hz的条件下进行交流阻抗测试，详见图2-4，其中：
由图2可知，在低扫速的条件下，复合材料的循环伏安曲线保持了部分矩形曲线的特征，类似于理想碳质电极材料的表现，特别是在扫速为0.01V/s时。
由图3可知，当充放电测试的电流由2.0A/g增大至10.0A/g时，所得充放电曲线形状仍然类似于等腰三角形。说明该复合材料在大电流充放电时，稳定性较好。
由图4可知，恒流充放电循环测试中，在前100个循环中，随着参与电极反应的活性物质与电解液接触越来越充分，比电容有小幅度增长，随后趋于稳定。
本实施例的有益效果是：制备简单，成本低廉，将自制的生物质炭材料与导电高分子聚合物聚苯胺相符合，探究其在柔性超级电容器方面的应用；柚子皮炭可以提高电极材料的导电性，对聚合物材料起到一定的支撑作用，并对其整体稳定性有帮助；从而一定程度增加电极活性物质的循环寿命；
实施例2
柚子皮炭与聚吡咯复合材料
将覆盖有均匀柚子皮炭膜的电极作为工作电极，钛片作为对电极，汞/硫酸亚汞电极作为参比电极，用0.2mol/L对甲苯磺酸与0.1mol/L吡咯的混合液作为电解液，在电势范围为-1.4V到1.4V，速率为0.05V/s的条件下进行电沉积，电沉积完毕后，放于干燥器中干燥12h，得到柚子皮炭与聚吡咯的复合材料。
然后以所制得的复合电极作为工作电极，汞/硫酸亚汞电极为参比电极，钛片电极为对电极，以0.5mol/L硫酸为电解液，在电势窗为-1.2V到1.2V，不同扫描速度下进行循环伏安测试；在电势窗为-1.2V到1.2V，不同的电流密度下进行恒流充放电测试；在电压振幅为10mV，频率范围为10-2Hz～105Hz的条件下进行交流阻抗测试，详见图5-6。
实施例3
柚子皮炭与聚噻吩复合材料
将覆盖有均匀柚子皮炭膜的电极作为工作电极，钛片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，用0.2mol/L的噻吩溶液(噻吩单体溶于三氟化硼***溶液)用作电解液。选用恒电位法，设置电位为1.3V，采样时间为0.1s，扫描时间为1000s。电沉积完毕后，放于干燥器中干燥12h，得到柚子皮炭与聚吡咯的复合材料。
以玻碳电极为工作电极，以饱和甘汞电极为参比电极，以钛片为对电极，以三氟化硼***溶液为电解液，组成三电极体系，对聚噻吩膜进行循环伏安测试。电势窗为-0.5V～1.6V，分别在扫描速度为0.01V/s、0.02V/s、0.05V/s、0.07V/s、0.10V/s的条件下进行循环伏安测试，详见图7-8。

Claims (5)

1.一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将柚子皮炭材料与nafion溶液、无水乙醇均匀混合得浆状物，再把浆状物均匀涂在预处理好的玻碳电极表面，置于干燥器中干燥12h，得到覆盖有均匀柚子皮炭膜的电极；再将该电极采用循环伏安法分别与聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯进行电化学复合，得到柚子皮炭与不同聚合物的复合电极。
2.根据权利要求1所述柚子皮碳与高分子聚合物复合电极的制备方法，其特征在于，所述柚子皮炭材料与nafion溶液、无水乙醇的料液比为10mg：4微升：0.2毫升。
3.根据权利要求1所述柚子皮碳与高分子聚合物复合电极的制备方法，其特征在于，所述循环伏安法电沉积时，采用的电解液为0.2mol/L苯胺与0.5mol/L的硫酸混合液。
4.一种柚子皮碳与高分子聚合物复合电极，其特征在于，由权利要求1所述方法制备而得。
5.一种如权利要求4所述柚子皮碳与高分子聚合物复合电极应用于超级电容器。
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