厦门大学Energ. Environ. Sci：用于高性能超级电容器的分子水平均匀的多孔聚苯胺/还原氧化石墨烯自组装复合材料

【引言】

在各种用于电化学超级电容器的电极材料中，由于聚苯胺（PANI）成本低，环境稳定性好，掺杂/去掺杂的动力学过程快且可逆，因而引起了人们的广泛关注。聚苯胺的独特掺杂机理带来了高的电荷密度， 因此PANI具有较高的比电容。制备基于PANI的电极材料的传统方法通常涉及苯胺在集流体或其他基底如还原氧化石墨烯（RGO）上的原位聚合。尽管已经通过原位聚合和相关方法制备了许多高性能的基于PANI的电极材料，但这些方法存在明显不足之处。 主要原因之一是在原位聚合中，难以精确控制PANI组分的形貌和分布。溶液中的自组装是精确控制复合材料组成的有效方法。PANI在多种有机溶剂中具有良好的溶解性，但溶液法制备PANI电极的报道很少，这可能是因为溶液法难以获得PANI纳米结构，而这些纳米结构通常对器件的性能至关重要。

【成果简介】

近日，厦门大学白华副教授（通讯作者）报道了一种简便可控的制备分子水平均一的PANI/RGO复合凝胶（PGG）的方法，该方法包括两个连续的自组装过程，即聚苯胺在水/ N-甲基-2-吡咯烷酮混合溶剂中氧化石墨烯片上的二维组装，以及所得到的聚苯胺/氧化石墨烯复合物的三维还原-组装。所制备的聚苯胺/还原氧化石墨烯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，其上均匀负载了聚苯胺分子，且含量可控。当聚苯胺含量高达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53.33Ag^-1的电流密度下显示出808Fg^-1的高比电容量，以及出色的倍率性能。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Energ. Environ. Sci上。

【图文导读】

图一 基于自组装方法制备的PGG溶液示意图

图二PGG的照片和SEM图像

（A）PANI @ GO溶液和PGG-4的照片

（B-E）具有不同PANI含量PGG的SEM图像（B）58.3％（PGG-1），（C）71.8％（PGG-2），（D）81.3％（PGG-4）和（E）91.0％（PGG-6）比例尺5μm

图三PANI @ GO和PANI @ RGO纳米片的形态

（A）PANI @ GO片材的AFM图像

（B）（C）PANI @ GO片材的TEM图像

（D）（E）PANI @ RGO片材的TEM图像

图四PGG的电容性能

（A）PGG在5mV s^-1，10mV s^-1，25mV s^-1和50mV s^-1的扫描速率下的CV曲线

（B）PGG-4在不同电流密度下的GCD曲线

（C）PGG-4不在同电流密度的电容

（D）PGG-4奈奎斯特图

（E）对比PGG-4和其他PANI/RGO复合材料在文献中的比电容

（F）PGG的比电容（约40A g-1）与PGG中的PANI含量

图五PGG的性能优化图

（A）在RGO基底上原位聚合苯胺时部分封闭的通道形成的示意图

（B）在自组装过程中形成未封闭通道的示意图

（C）（D）在水/ DMSO混合溶剂中合成的PGG的SEM图像

（E）在具有不同PANI进料比率的水/DMSO混合溶剂中合成的PGG的比电容

【小结】

本文设计了一种新颖的自组装方法制备三维多孔PANI/RGO复合材料，用作高性能超级电容器的电极材料。 自组装方法包括两个连续的自组装过程，获得了由RGO骨架和分子水平均匀负载的PANI组成的三维多孔复合材料。这种有利的微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。 这些结果表明，自组装是用于制备RGO复合电极材料的有前途的方法。此外，还证实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。

【团队介绍】

白华副教授团队在石墨烯/导电聚合物超级电容器领域取得了一系列研究成果。开发了连续电化学沉积的方法制备聚苯胺/石墨烯复合材料（J. Mater. Chem. 2012, 22, 20968-20976），并利用原位聚合的方法制备了聚对苯二酚/石墨烯复合材料，首次将具有超高理论比容量的聚对苯二酚用于电容器储能（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 16033-16035）。团队还在给出了解决活性电解质增强超级电容器自放电的策略，设计了基于铜离子电解质的新器件（Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1750-1759），并据此提出了聚合物活性电解质的新概念（J. Mater. Chem. A 2014, 2, 10526-10531），以解决自放电问题。近期该团队提出了相分离复合电极材料的新结构，通过控制聚苯胺在材料内的分布，实现了聚苯胺/石墨烯复合电极材料超高倍率性能（Adv. Mater. 2016, 28, 10211-10216）；还通过详细的电化学和光谱研究，揭示了聚苯胺/石墨烯复合材料具有高于理论容量这一普遍现象的原因，为设计相关电极材料提供了理论依据(Energy. Environ. Sci. 2017, 10, 2372)。最近设计了溶液自组装的方法获得了分子级别均匀复合的聚苯胺石墨烯复合材料，进一步提高了电极的性能（Energy. Environ. Sci. 2018, DOI: 10.1039/C8EE00078F）。

文献链接：“A Self-assembly Route to Porous Polyaniline/Reduced Graphene Oxide Composite Materials with Molecular-level Uniformity for High-performance Supercapacitors”(Energ. Environ. Sci.2018,DOI：10.1039/C8EE00078F)

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译，论文通讯作者白华副教授修正供稿。

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