二苯甲酮修饰聚噻吩氧化石墨烯复合材料的制备【字数：10216】
本文通过先聚合后复合与原位聚合两种方法，制备了聚(3-己基)噻吩/氧化石墨烯(GO)复合材料，并加入4-4’-二羟基二苯甲酮(4,4’-DHBP)进行修饰，提高其复合能力以及稳定性。在先聚合后复合的实验当中，先将3-己基噻吩(3HT)与4-4’-二羟基二苯甲酮聚合，其中以三氯化铁为催化剂和氯仿溶剂，由3-己基噻吩聚合成聚(3-己基)噻吩(P3HT)，制备聚噻吩和4-4’-二羟基二苯甲酮聚合物(CO-P3HT)，再与氧化石墨烯复合完成复合材料(GO/CO-P3HT)的制备。在原位聚合实验中，直接将3-己基噻吩、4-4’-二羟基二苯甲酮、三氯化铁和氧化石墨烯进行低温原位聚合，制备GO/CO-P3HT复合材料。通过傅里叶红外光谱、核磁共振光谱、紫外光谱以及荧光光谱对CO-P3HT聚合物进行表征，以及采用傅里叶红外光谱对GO/CO-P3HT复合材料进行表征，随后利用电化学工作站对GO/CO-P3HT复合材料进行阻抗、电容电压以及充放电等电学性能测试。实验结果表明红外光谱以及核磁共振光谱验证了聚合物的精确结构，红外光谱验证了聚合物/氧化石墨烯复合材料的成功制备；电学性能的测试中，发现原位聚合体系的比电容相对于非原位的大，在电流密度为0.5V/S时，比电容达到55 F/g；而在非原位体系中，CO-P3HT:GO=10:1(质量比)，3HT:4,4’-DHBP(摩尔比)=1:1时，比电容仅为10 F/g。因此，采用原位聚合的方式，以二苯甲酮改性聚噻吩/氧化石墨烯复合材料，可以作为一类超级电容用电极材料。
目录
1.文献综述 1
1.1引言 1
1.2 实验主要原材料的简介 1
1.2.1 3己基噻吩（3HT） 1
1.2.2 氧化石墨烯（GO） 2
1.2.3 4,4’二羟基二苯甲酮（4,4’DHBP） 2
1.3超级电容器的简介 2
1.3.1超级电容器的研究发展 2
1.3.2超级电容器的分类 3
1.3.3超级电容器的组成及工作原理 3
1.4超级电容器的性能及应用 4
1.4.1超级电容器的性能特点 5
1.4.2超级电容器的应用领域 5
1.5超级电容器的电极材料 5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
1.5.1碳电极材料 5
1.5.2导电聚合物电极材料 5
1.5.3金属氧化物电极材料 6
1.6本课题研究的内容和意义 6
2.实验部分 7
2.1主要实验试剂和实验仪器 8
2.1.1实验试剂 8
2.1.2实验仪器 8
2.2二苯甲酮修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的制备 9
2.2.1先聚合后复合的制备方法 9
2.2.2原位聚合的制备方法 9
2.2.3电极的制备 10
3.结果与讨论 11
3.1二苯甲酮与聚噻吩的聚合物合成与表征 11
3.1.1傅里叶红外光谱（FTIR）测试与分析 11
3.1.2核磁共振图谱（HNMT）测试与分析 11
3.1.3紫外光谱（UVVis）测试与分析 12
3.2二苯甲酮修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合结构材料表征 13
3.2.1FTIR图谱测试与分析 13
3.3二苯甲酮修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料超级电容电极性能表征 14
3.3.1电容电压（CV）测定与分析 14
3.3.2电流充放电（CP）测试与分析 18
4.1全文结论 23
4.2研究展望 24
参考文献 24
致谢 26
1.文献综述
1.1引言
随着社会产业的发展，化石燃料的不断消耗，寻找可再生资源和储能装置是刻不容缓。近年来,超级电容器越来越受到研究人员的关注。超级电容器具有储能效率高、环境稳定性好、充放电快、制生产成本较低等优点,它们是二次电池和传统电容器之间一种新型储能装置[1]。超级电容器的组成包括电极材料、电解液、集流体、隔膜等。然而，电极材料是超级电容器的核心[2]，并且制备具有优异的电化学性能、高比电容和优异的循环稳定性的电电极材料尤为重要。碳基材料、导电聚合物、金属氧化物是三种最为主要研究的超级电容器电极材料[3]。近年来，碳基材料在能源和环境治理纳米技术的发展显示出巨大的潜力，如海水淡化、气体净化、溶剂脱水等，特别是在锂基电池和超级电容器中[4]。
石墨烯等炭基材料具有良好的导电性和循环稳定性，其氧化物氧化石墨烯也是一种炭基材料，具有较大的比表面积、良好的电子传导性和较高的机械强度，并具有大π共轭结构，π电子可以在石墨烯片层之间自由移动。然而，导电聚合物分为电子导电聚合物、离子导电聚合物和氧化还原型导电聚合物[5]，它们具有较差的循环稳定性和缓慢的充电和放电，因此将导电聚合物与炭基材料相结合，制备具有更好电化学性能的复合材料。聚噻吩是一种具有高成膜性和透光性的导电聚合物，还具有π共轭结构，可与氧化石墨烯结合，引起ππ共轭效应[6]，增大电子云密度，而二苯甲酮是一种紫外线吸收剂和引发剂，可调节聚噻吩与氧化石墨烯之间的相互作用，提高和氧化石墨烯的复合能力，紫外辐射交联提高其复合材料的稳定性，为电极材料的制备提供了依据。
1.2 实验主要原材料的简介
1.2.1 3己基噻吩（3HT）
分子式： 分子量：168.3
本实验，主要是将3己基噻吩制备成聚噻吩而使用。聚噻吩（polythiophene），是一种常见的导电聚合物。在上世纪80年代，聚噻吩最初是由Yamamoto[21]等用2,52二溴噻吩为原料和金属镁作用制成格林（Grignard）试剂后，再用Ni（Ⅱ）化合物为催化剂聚合得到聚合度约为15个重复单元的聚噻吩。但是最初的聚噻吩几乎不溶也不融，这也加大了加工的难度。1986年，Elsenbaumer[22]等报道了可溶性烷基取代聚噻吩的合成与研究结果。为了增加聚噻吩的溶解度，需要增大分子主链的柔性性，降低刚性，同时增加分子量。聚噻吩具有良好的导电性、机械性能、透光性，同时易于电化学聚合成膜，它在有机太阳能电池、电解电容器和超级电容器的应用方面具有广阔的前景。聚噻吩具有较小的能隙，但氧化掺杂很高，并且可以被还原掺杂，3己基噻吩单体与聚噻吩的电子结构性能与导电性能密切相关，电导率主要归因于共轭π键。化学或电化学掺杂后聚合物的导电性从绝缘体延伸到导电范围，而π电子的流动产生导电的可能性。
1.2.2氧化石墨烯（GO）
石墨烯是由碳原子和sp2杂化轨道六角蜂巢晶格组成的二维碳纳米材料，以其优异的性能，例如高导电性，耐热性和良好的机械关系而著称。它已被公认为富勒烯和自碳纳米管后最有前途的碳材料之一，自Geim和同事们在2004年的发现[23]。氧化石墨烯（graphene oxide）是石墨烯的氧化物，是一种炭基材料，具有大的比表面积、良好的电子传导性和高机械强度。它具有大π共轭结构，π电子可以在石墨烯片层间自由移动。本实验采用单层氧化石墨烯片状，颜色为棕色，由于经过石墨烯氧化后，其性能比石墨烯更加活泼，易与其他聚合物复合形成电化学性能更好的复合材料，应用于电极材料中。然而聚噻吩链紧密附着在氧化石墨烯上，并且在聚噻吩和氧化石墨烯之间存在着ππ相互作用[2425]，促使导电作用的形成。
1.2.3 4,4’二羟基二苯甲酮（4,4’DHBP）
分子式： 分子量：2144,4’二羟基二苯甲酮（4,4Dihydroxybenzophenone），是一种白色结晶粉末，能够溶于氯仿，并且二苯甲酮是一种紫外线吸收剂和引发剂，本实验加入二苯甲酮的修饰作用，调控聚噻吩与GO之间的相互作用，主要是希望提高和氧化石墨烯的复合能力以及希望复合后，可以紫外辐射交联，提高其复合材料的稳定性，制备出电化学性能更优良的电极材料。
目录
1.文献综述 1
1.1引言 1
1.2 实验主要原材料的简介 1
1.2.1 3己基噻吩（3HT） 1
1.2.2 氧化石墨烯（GO） 2
1.2.3 4,4’二羟基二苯甲酮（4,4’DHBP） 2
1.3超级电容器的简介 2
1.3.1超级电容器的研究发展 2
1.3.2超级电容器的分类 3
1.3.3超级电容器的组成及工作原理 3
1.4超级电容器的性能及应用 4
1.4.1超级电容器的性能特点 5
1.4.2超级电容器的应用领域 5
1.5超级电容器的电极材料 5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
1.5.1碳电极材料 5
1.5.2导电聚合物电极材料 5
1.5.3金属氧化物电极材料 6
1.6本课题研究的内容和意义 6
2.实验部分 7
2.1主要实验试剂和实验仪器 8
2.1.1实验试剂 8
2.1.2实验仪器 8
2.2二苯甲酮修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料的制备 9
2.2.1先聚合后复合的制备方法 9
2.2.2原位聚合的制备方法 9
2.2.3电极的制备 10
3.结果与讨论 11
3.1二苯甲酮与聚噻吩的聚合物合成与表征 11
3.1.1傅里叶红外光谱（FTIR）测试与分析 11
3.1.2核磁共振图谱（HNMT）测试与分析 11
3.1.3紫外光谱（UVVis）测试与分析 12
3.2二苯甲酮修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合结构材料表征 13
3.2.1FTIR图谱测试与分析 13
3.3二苯甲酮修饰聚噻吩/氧化石墨烯复合材料超级电容电极性能表征 14
3.3.1电容电压（CV）测定与分析 14
3.3.2电流充放电（CP）测试与分析 18
4.1全文结论 23
4.2研究展望 24
参考文献 24
致谢 26
1.文献综述
1.1引言
随着社会产业的发展，化石燃料的不断消耗，寻找可再生资源和储能装置是刻不容缓。近年来,超级电容器越来越受到研究人员的关注。超级电容器具有储能效率高、环境稳定性好、充放电快、制生产成本较低等优点,它们是二次电池和传统电容器之间一种新型储能装置[1]。超级电容器的组成包括电极材料、电解液、集流体、隔膜等。然而，电极材料是超级电容器的核心[2]，并且制备具有优异的电化学性能、高比电容和优异的循环稳定性的电电极材料尤为重要。碳基材料、导电聚合物、金属氧化物是三种最为主要研究的超级电容器电极材料[3]。近年来，碳基材料在能源和环境治理纳米技术的发展显示出巨大的潜力，如海水淡化、气体净化、溶剂脱水等，特别是在锂基电池和超级电容器中[4]。
石墨烯等炭基材料具有良好的导电性和循环稳定性，其氧化物氧化石墨烯也是一种炭基材料，具有较大的比表面积、良好的电子传导性和较高的机械强度，并具有大π共轭结构，π电子可以在石墨烯片层之间自由移动。然而，导电聚合物分为电子导电聚合物、离子导电聚合物和氧化还原型导电聚合物[5]，它们具有较差的循环稳定性和缓慢的充电和放电，因此将导电聚合物与炭基材料相结合，制备具有更好电化学性能的复合材料。聚噻吩是一种具有高成膜性和透光性的导电聚合物，还具有π共轭结构，可与氧化石墨烯结合，引起ππ共轭效应[6]，增大电子云密度，而二苯甲酮是一种紫外线吸收剂和引发剂，可调节聚噻吩与氧化石墨烯之间的相互作用，提高和氧化石墨烯的复合能力，紫外辐射交联提高其复合材料的稳定性，为电极材料的制备提供了依据。
1.2 实验主要原材料的简介
1.2.1 3己基噻吩（3HT）
分子式： 分子量：168.3
本实验，主要是将3己基噻吩制备成聚噻吩而使用。聚噻吩（polythiophene），是一种常见的导电聚合物。在上世纪80年代，聚噻吩最初是由Yamamoto[21]等用2,52二溴噻吩为原料和金属镁作用制成格林（Grignard）试剂后，再用Ni（Ⅱ）化合物为催化剂聚合得到聚合度约为15个重复单元的聚噻吩。但是最初的聚噻吩几乎不溶也不融，这也加大了加工的难度。1986年，Elsenbaumer[22]等报道了可溶性烷基取代聚噻吩的合成与研究结果。为了增加聚噻吩的溶解度，需要增大分子主链的柔性性，降低刚性，同时增加分子量。聚噻吩具有良好的导电性、机械性能、透光性，同时易于电化学聚合成膜，它在有机太阳能电池、电解电容器和超级电容器的应用方面具有广阔的前景。聚噻吩具有较小的能隙，但氧化掺杂很高，并且可以被还原掺杂，3己基噻吩单体与聚噻吩的电子结构性能与导电性能密切相关，电导率主要归因于共轭π键。化学或电化学掺杂后聚合物的导电性从绝缘体延伸到导电范围，而π电子的流动产生导电的可能性。
1.2.2氧化石墨烯（GO）
石墨烯是由碳原子和sp2杂化轨道六角蜂巢晶格组成的二维碳纳米材料，以其优异的性能，例如高导电性，耐热性和良好的机械关系而著称。它已被公认为富勒烯和自碳纳米管后最有前途的碳材料之一，自Geim和同事们在2004年的发现[23]。氧化石墨烯（graphene oxide）是石墨烯的氧化物，是一种炭基材料，具有大的比表面积、良好的电子传导性和高机械强度。它具有大π共轭结构，π电子可以在石墨烯片层间自由移动。本实验采用单层氧化石墨烯片状，颜色为棕色，由于经过石墨烯氧化后，其性能比石墨烯更加活泼，易与其他聚合物复合形成电化学性能更好的复合材料，应用于电极材料中。然而聚噻吩链紧密附着在氧化石墨烯上，并且在聚噻吩和氧化石墨烯之间存在着ππ相互作用[2425]，促使导电作用的形成。
1.2.3 4,4’二羟基二苯甲酮（4,4’DHBP）
分子式： 分子量：2144,4’二羟基二苯甲酮（4,4Dihydroxybenzophenone），是一种白色结晶粉末，能够溶于氯仿，并且二苯甲酮是一种紫外线吸收剂和引发剂，本实验加入二苯甲酮的修饰作用，调控聚噻吩与GO之间的相互作用，主要是希望提高和氧化石墨烯的复合能力以及希望复合后，可以紫外辐射交联，提高其复合材料的稳定性，制备出电化学性能更优良的电极材料。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/gfzcl/73.html
