摘要
超级电容器作为21世纪新能源方面的一项重点研究方向，其具有快速充放电、稳定的循环性能、安全、环保、高效等优势，被国内外广大科研学者潜心挖掘。超级电容器的现有主要电极材料可以分为碳材料、导电聚合物、含氧金属化合物和一些新型材料，其中氧化石墨烯（GO）和聚吡咯（PPy）两种电极材料因具有优秀的理论比表面积与较高的理论比电容值被广泛应用，但相较于其他电极材料，PPy与GO的实际应用效果并不优秀，实际比电容值远低于理论值，且在循环稳定性的测试中常常因PPy结构中的主链发生体积变化而断裂导致比电容保持率急剧下降，不能满足商业上的应用需求。研究中发现想要解决材料在某一方面的劣势，经常使用复合的手段，在原有基底的基础上增添新的元素或结构来提升和优化底物的性能。 本文将具有优秀理论性能的PPy/GO纳米材料与具有优异赝电容电化学性能的过渡金属元素进行复合，通过使用简单的静置沉积法在以PPy/GO纳米片为基底的前提下，利用2-甲基咪唑与2-氯甲基咪唑啉盐酸盐的共价作用以及过渡金属（Co、Zr、Ru）的复合来实现对PPy/GO的结构的改变与性能的提升，制备出负载金属复合的二维纳米材料工作电极。其改变主要依据以下2点:（1）PPy/GO纳米片拥有的大的理论比表面积，可与更多的金属离子复合，增多材料的反应活性位点，赝电容性能增强，进而提高比电容值。（2）利用金属离子的复合，提高PPy结构的机械刚性和强度。同时金属附着点位于PPy/GO纳米片的表面，减少了电子与离子在体相中的流动，延缓了PPy主链结构的崩塌，进而增强纳米材料的循环稳定性能。 本文主要研究内容如下: （1）利用改进的Hummers法和化学氧化聚合法制备PPy/GO纳米片，通过取代反应和静置沉积法引入Co和Zr两种过渡金属，制备合成Co2+-Zr4+/（2-MeIm）x@PPy/GO纳米材料。并通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X-射线光电子能谱仪（XPS）等表征手段的结果可知，金属元素以常规离子态形式包覆生长在PPy/GO纳米片表面。在电化学性能测试中，Co2+-Zr4+/（2-MeIm）x@PPy/GO纳米材料工作电极在电流密度为1Ag-1的条件下，比电容值可达到295.75Fg-1,并在10000次(10Ag-1)的长循环充放电测试中，比电容保持率达到35.29％,展现出来一定的超级电容器电极材料的潜质。 (2)利用与(1)同样的方式引入Co和Ru两种过渡金属，制备合成Co2+-Run+/(2-MeIm)x@PPy/GO(n=0,4)纳米材料。并通过SEM、TEM和XPS等表征手段结果可知，金属元素以常规离子态形式及微量单质形态包覆生长在PPy/GO纳米片表面。在电化学性能测试中，Co2+-Run+/(2-MeIm)x@PPy/GO纳米材料工作电极在电流密度为1Ag-1的条件下，比电容值可达到321.78Fg-1,并在10000次(10Ag-1)的长循环充放电测试中，电容保持率达到100％。相较于Co2+-Zr4+/(2-MeIm)x@PPy/GO在性能上有着显著提升。
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