聚苯胺与介孔型氧化钛复合电极的研究文献综述

文献综述

1、研究背景及意义

由于当前的气候变化和化石燃料的减少，开发用于能量储存和转化的可持续和可再生能源已经变得越来越重要^[1]。然而太阳能和风能等一些可再生能源具有不稳定性和间歇性的缺点。这意味着在可持续能源输出的系统中能量的储存起着至关重要的作用。这使得能量存储系统（例如超级电容器和电池）成为用于各种能量转换必不可少的组件。然而，当前面临的挑战是如何通过原有物质创造新材料，并且进一步提高其电化学性能，从而获得更高的功率密度和能量密度。电池通常可以存储大量能量，但由于其较低的功率密度使其不能满足快速大电流充放电的需求，并且由于循环稳定性差以及会对环境造成污染等缺点导致它的应用受到多方面的限制。另一方面，超级电容器已被认为是最有希望的能量储存装置、备用电源输出装置和能量管理装置，可以广泛的用于诸如消费电子产品等诸多领域。这是因为它们具有快速充电/放电速率、循环寿命长、低维护成本和环境安全性等优点^[2]。超级电容器可以提供比可充电电池更高的功率密度，同时比商用电容器存储更多的能量。为了增强能量的存储性能，学者们已经在混合电极材料上做了很多研究，也有很多相关的报道。这些报道主要是针对诸如碳、过渡金属氧化物与导电聚合物的复合电极材料进行了一系列研究。目的是充分利用每个部件的优点并潜在探索各部件之间的协同作用以寻求获得具有较好电学性能的电极材料 ^[2-8]。但是，很少有关于聚苯胺和二氧化钛的复合电极的研究报道。众所周知，二氧化钛纳米管具有高的比表面积、规则的孔洞结构以及稳定的化学性质，聚苯胺(PANI)具备良好的导电性和较大的电容。加之PANI和二氧化钛纳米管之间的协同效应，使其作为未来超级电容器理想电极材料的可能性大大增加。基于此，本课题将对二氧化钛纳米管和聚苯胺分别进行研究，然后在先前报道的复合电极制备方法的基础上进一步改进工艺，以期望达到较好的效果。

2、超级电容器介绍

超级电容器（也称为电化学电容器）是能够存储比商用电容器的能量多几百倍的一种主要电气器件。超级电容器与常规电容器储存电能的基本原理不同，它们通过两个机制（电双层和快速法拉第过程）存储电能。超级电容器被认为是介于电池和常规电容器之间的中间体，因为它们不仅存储更多的能量而且还可以提供更高的功率^[9]。

超级电容器分为电化学双层电容器（EDLC）和法拉第电容器两种类型。在EDLC中，电能通过纯静电荷过程存储，该过程是通过在活性材料电极和电解质之间的界面处的离子吸附作用而发生的，从而提供期望的功率密度、快速充电/放电率和优异的循环稳定性。在当前的技术中，活性碳、碳纳米纤维、介孔碳、碳纳米管（CNT）和石墨烯等材料广泛用于EDLC的开发。然而这些电极材料由于其本身与电解质的界面面积有限而不能提供令人满意的能量密度。法拉第电容器是通过在活性材料的表面上进行快速并可逆的氧化还原反应来工作的（材料的电化学状态的变化）。在典型的充电过程中，电子从电极材料表面移动到集电器，放电过程则与之相反。这使得广泛使用的氧化还原材料包括导电聚合物（例如PANI，聚吡咯和聚[3,4-亚乙二氧基噻吩]）和过渡金属氧化物（例如MnO₂、NiO、RuO₂、V₂O₅和TiO₂）等得到了广泛的关注和研究^[10-12]。

3、二氧化钛纳米管的制备及其性能

由于二氧化钛纳米管具有高的比表面积、规则的孔洞结构和较短的电子传输通道等优点^[13]，使其有可能成为超级电容器电极的支撑材料而被众多学者广泛的关注。二氧化钛纳米管的制备主要有水热法、阳极氧化法、模版合成法三种方法^[14]。其中模板合成法可以通过调整模板的形态来构建在纳米和微米尺度具有规则和受控形态的材料。然而由于成本高、模板表征不足以及对二氧化钛纳米管产品的长期不稳定性的诸多因素，使得这种方法的广泛应用受到了限制。电化学阳极氧化法是目前已知最优、最简单的来制造垂直方向上有序的TiO₂纳米管的方法^[15]。阳极氧化方法可以在钛箔表面上构建高度有序且结晶的TiO₂阵列膜，其具有可控的孔径、良好的均匀性和在大表面积上的适应性^[16]。阳极氧化制得二氧化钛纳米管后进行退火方可得到较稳定的锐钛矿晶型。此外C. Clement Raj等人^[17]采用阳极氧化法通过施加不同的电压来制备具有不同长径比的二氧化钛纳米管并分别测试其电容，结果显示不同的长径比的二氧化钛纳米管的单位面积电容数值相差很大。

4、聚苯胺的性能及其作为电极材料在支撑材料表面的负载