基于聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容的性能研究

MEMS微电容具有高比容量、高储能密度和抗高过载等特点,在微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。设计制作了一种三维结构的聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容。该微电容由三维结构集流体、功能薄膜、凝胶电解质和BCB封装构成,其三维结构集流体是基于RIE刻蚀等微加工工艺加工实现的,而功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯制备而成的,具有阻抗低、容量高、循环性能好的优点。电极的结构表征表明,聚吡咯中充分掺杂了氧化石墨烯,功能材料微观结构规整。器件电化学测试结果表明,放电电流为3mA时,MEMS微电容具有30μF的电容值,比容量达到7mF/cm2,在4000次充放电循环后,器件比容量仍保持在90%,电容量无明显衰减,具有稳定的电容性能和良好的循环性能。     

聚吡咯/氧化石墨烯复合电极的制备及性能研究

采用直流电电化学制备了聚吡咯和聚吡咯/石墨烯薄膜电极,研究发现聚吡咯/石墨烯复合电极表面产生了很多小孔和一些羊角状的结构,这可能是由于在聚合过程中,聚合围绕石墨烯吸附对甲基苯磺酸根离子形成的球状体所致。而这些小孔和羊角状的结构在电极的充放电过程中为内层聚吡咯提供了离子交换的通道。在循环伏安的测试中,当扫描速率达到1000mV/S时,聚吡咯/石墨烯复合电极的容量依然保持在229F/g,而纯的PPy电极的容量仅保持在112F/g。     

片状聚吡咯/氧化石墨烯复合材料的制备及电化学性能

通过原位聚合在低温条件下(-10℃)制备具有片状微结构的聚吡咯(PPy)/氧化石墨烯(GO)复合材料,利用傅里叶红外光谱仪(FT-IR),扫描电子显微镜(SEM)对复合材料进行结构表征的基础上,利用循环伏安(CV)、恒流充放电(GC)、电化学阻抗技术(EIS)测试复合材料的电化学性能。FT-IR结果表明复合材料中GO与PPy存在相互作用;SEM结果表明复合材料显示为亚微米片状结构形貌;CV、GC、EIS电化学分析表明,与纯聚吡咯及氧化石墨烯相比,复合材料显示出优越的电容特性。当电流密度保持在1 A/g时,复合材料的比电容可达319 F/g,比GO(9 F/g)和PPy(167 F/g)的比电容都要高,该复合材料可用作潜在的超级电容器电极材料。     

SnO2/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合物的合成及其电化学电容性能

采用两步法制备出均匀分散的SnO2/还原氧化石墨烯(SnO2/RGO)二元复合物,再以二元复合物为模板,通过化学氧化法聚合吡咯(Py)单体,制备出SnO2/还原氧化石墨烯/聚吡咯(SnO2/RGO/PPy)三元复合材料。利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对复合材料结构和形貌进行物性表征,利用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗对复合材料进行电化学性能研究,并讨论了不同含量的PPy对复合材料的结构和性能的影响。结果表明,所合成的三元复合材料的比电容随PPy含量的增加而增大,最大达到305.3F/g。三元复合物电容性能增强源于SnO2、RGO与PPy三者的相互协同作用,以及材料层状结构和大的比表面积。     

MEMS超级电容器用聚吡咯/炭材料复合膜电极的制备及其性能

采用电化学沉积工艺,在MEMS超级电容器的三维结构集流体上制备出聚吡咯(PPy)、聚吡咯/碳纳米管(PPy/CNT)、聚吡咯/石墨烯(PPy/GR)三种类型的膜电极。采用SEM对三种膜电极进行形貌观察,采用循环伏安、交流阻抗、恒电流充放电和循环充放电研究三种膜电极的电化学电容性能。结果表明,复合电极的微观结构稳定,复合薄膜和集流体之间的结合力大;基于三种膜电极的MEMS超级电容器电容量依次增大,阻抗依次减小,放电电流为1 mA时,比电容分别达到7.0、8.0、8.3 mF/cm2,经过5 000次恒流充放电循环后,电容器的比电容分别保持了原来的72.9%、85.0%和89.2%。在PPy电极中引入CNT或GR后,MEMS超级电容器的电化学和膜电极结构稳定性可得到明显改善。     

石墨烯/聚吡咯复合材料制备及应用研究进展

具有独特二维纳米结构的石墨烯可为电子转移提供通道,使其复合材料具有优良的电容性能。聚吡咯(PPy)因具有超电容性能、聚合电位低和空气稳定性好等优点,常作为理想型电极材料。综述了原位化学氧化聚合法和电化学沉积法2种石墨烯/PPy复合材料的制备方法,以及石墨烯/PPy复合材料在超级电容器、微波吸收、燃料电池催化剂和传感器等电化学方面的应用现状,并展望了石墨烯/PPy复合材料的未来发展方向。     

不同水醇比条件下原位聚合的聚吡咯/石墨烯复合材料的电容性能

在不同水醇比的溶剂环境下,利用原位聚合法制得聚吡咯/氧化石墨烯复合物,再经还原得到聚吡咯/还原氧化石墨烯复合材料。通过红外光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等测试方法对复合材料的结构和形貌进行表征,利用电化学工作站对复合物的电化学性能进行了测试。结果表明,在不同水醇比的溶剂条件下所制备的还原氧化石墨烯与聚吡咯复合材料都具有优异的电容性能和良好的稳定性。当水醇比为9∶1(体积比,下同)时,所制备的材料具有最稳定的电容性能。     

三维石墨烯/苯胺-吡咯共聚复合物的制备及其超级电容性能

以制备的氧化石墨凝胶和苯胺-吡咯共聚物为原料,将二者进行混合超声分散,再以其混合分散液为前驱体,采用一步水热法制得三维石墨烯/苯胺-吡咯共聚复合物(3DAP)。利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电化学测试等研究了复合物的结构、形貌及电化学性能。结果表明:3DAP拥有丰富的三维多孔网状结构,并且颗粒状的苯胺-吡咯共聚物能够均匀地分布于孔隙间;作为电极材料,该复合物在0.5A·g~(-1)电流密度下比电容可达628.5F·g~(-1),即使在大电流密度(20A·g~(-1))条件下仍可高达384F·g~(-1),且在1A·g~(-1)电流密度下经过1 000次的充放电循环后比容量保持率高达86.1%,表现出良好的倍率特性和循环稳定性,其超级电容性能远优于单纯的石墨烯以及苯胺-吡咯共聚物。     

石墨烯接枝聚吡咯复合物的原位合成及其电容特性研究

采用化学接枝法原位合成了石墨烯接枝聚吡咯复合物, 对复合物的结构、形貌、导电率以及比电容值进行了测试和表征。结果表明制备的石墨烯接枝聚吡咯复合物中, 石墨烯与吡咯单体间产生了紧密的化学键结合, 吡咯在石墨烯层片上均匀分布, 石墨烯片层间的吡咯大量成链并与石墨烯层片相互连接, 测得复合物的电导率为3.32 S/cm, 比电容值可以达到284 F/g, 相比于纯聚吡咯的186 F/g的比电容值提高了52%, 具有优异的电容特性。     

聚吡咯/氧化石墨复合材料的制备及其电容性能

以氧化石墨为载体,采用木质素磺酸钠作为掺杂剂,氯化铁作为氧化剂,引发吡咯单体在氧化石墨层发生化学原位聚合反应,制备了聚吡咯(PPy)/氧化石墨复合材料。通过XRD、FTIR和SEM分析分别对复合材料的物相组成、结构和微观形貌进行了表征,通过TGA分析研究了复合材料的热稳定性,采用恒电流充放电、循环伏安和电化学阻抗谱等方法测试分析其电化学性能。研究表明:采用化学原位聚合的方法合成的PPy/氧化石墨复合材料具有"层-球"状的"三明治"型微观结构,以便形成良好的导电网络,其结晶度高、排列规整、缺陷少,复合材料中吡咯单体通过N-H键与氧化石墨的含氧官能团发生键合。PPy/氧化石墨复合材料新颖的微观结构和良好的化学键合状态使其表现出优异的电容性能。在电流密度分别为0.5、1.0、2.0和5.0 A/g时的比电容分别为500、460、427和396 F/g;经过1000次恒电流(2.0 A/g)充放电循环后, PPy/氧化石墨复合材料的比电容保持率为97.2%。      

MEMS超级电容器膜电极材料的表面改性

为了改善MEMS超级电容器膜电极的致密性,通过在聚吡咯(PPy)中引入苯磺酸钠(BSNa)和氧化石墨烯(GO)表面改性功能薄膜,实现聚吡咯薄膜在MEMS超级电容器三维微结构上的均匀沉积.借助扫描电镜(SEM)、循环伏安测试(CV)、交流阻抗谱测试(EIS)、恒流充放电测试(CP)等手段对表面改性后的样品进行电化学性能测试.结果表明:当吡咯单体(Py)与BSNa摩尔比为1∶2,GO含量为0.4%时,在-0.4~1.0 V电压范围内,以100 m V/s速率扫描56圈,PPy薄膜的致密性最佳;表面改性可以在很大程度上减轻PPy颗粒的团聚,使得聚合后的PPy分子链排布紧密,形成了规整的网状立体结构;在放电电流为2 m A时,比容量可以达到13.3 m F/cm2,MEMS超级电容器的电化学性能得到改善.     

High-performance asymmetric supercapacitors based on reduced graphene oxide/polyaniline composite electrodes with sandwich-like structure

The sandwich-like structure of reduced graphene oxide/polyaniline(RGO/PANI) hybrid electrode was prepared by electrochemical deposition. Both the voltage windows and electrolytes for electrochemical deposition of PANI and RGO were optimized. In the composites, PANI nanofibers were anchored on the surface of the RGO sheets, which avoids the re-stacking of neighboring sheets. The RGO/PANI composite electrode shows a high specific capacitance of 466 F/g at 2 m A/cm~2 than that of previously reported RGO/PANI composites. Asymmetric flexible supercapacitors applying RGO/PANI as positive electrode and carbon fiber cloth as negative electrode can be cycled reversibly in the high-voltage region of 0–1.6 V and displays intriguing performance with a maximum specific capacitance of 35.5 m F cm~(-2). Also, it delivers a high energy density of 45.5 m W h cm~(-2) at power density of 1250 m W cm~(-2). Furthermore, the asymmetric device exhibits an excellent long cycle life with 97.6% initial capacitance retention after 5000 cycles.Such composite electrode has a great potential for applications in flexible electronics, roll-up display,and wearable devices.     

Fabrication of carboxylic graphene oxide-composited polypyrrole film for neurite growth under electrical stimulation

An aligned composite film was fabricated via the deposition of carboxylic graphene oxide (C-GO) and polypyrrole (PPy) nanoparticles on aligned poly(L-lactic acid) (PLLA) fiber-films (named as C-GO/PPy/PLLA), which has the core (PLLA)–sheath (C-GO/PPy) structure, and the composition of C-GO (~4.8 wt.% of PPy sheath) significantly enhanced the tensile strength and the conductivity of the PPy/PLLA film. Especially, after 4 weeks of immersion in the PBS solution, the conductivity and the tensile strength of C-GO/PPy/PLLA films still remained ~6.10 S/cm and 28.9 MPa, respectively, which could meet the need of the sustained electrical stimulation (ES) therapy for nerve repair. Moreover, the neurite length and the neurite alignment were significantly increased through exerting ES on C-GO/PPy/PLLA films due to their sustained conductivity in the fluid of cell culture. These results indicated that C-GO/PPy/PLLA with sustained conductivity and mechanical property possessed great potential of nerve repair by exerting lasting-ES.     

聚吡咯/钒氧纳米管复合阴极材料的制备及其电化学行为研究

以V2O5粉末和过氧化氢为原料,十六烷基胺为模板剂,利用水热合成法制备钒氧纳米管,然后结合阳离子交换技术,用导电聚合物聚吡咯修饰替换钒氧纳米管中的有机模板剂,成功制备了聚吡咯/钒氧纳米管复合材料。借助透射电子显微镜和傅里叶红外光谱观察和分析了修饰前后纳米管的形貌和结构变化,实验结果证实聚吡咯不但成功修饰替换了钒氧纳米管中的有机模板剂,而且还很好地保持了纳米管的管状结构。采用恒流充放电和循环伏安分别测试了修饰前后样品的电化学性能,测试结果表明导电聚合物聚吡咯的修饰替换极大地提高了电极材料的首次充放电比容量和循环稳定性,循环伏安结果和20次循环后的表面形貌分析也进一步证实了这一结论。由于聚吡咯具有高的电导率和良好的柔韧性,不仅提高了复合纳米管材料的电导率,而且还改善了复合纳米管材料的结构稳定性。     

Electrochemical actuator based on polypyrrole/sulfonated graphene/graphene tri-layer film

A tri-layer electrochemical actuator was fabricated by the electrodeposition of polypyrrole (PPy) onto a sulfonated graphene (SG)/reduced graphene oxide (RGO) bi-layer film. In this actuator, PPy and RGO were acted as actuation and conductive inert layers, respectively. The SG layer was used to enhance the interfacial interactions. The tri-layer actuator exhibited high and stable actuating performance for over 1000 actuation cycles, and the lifetime of the actuator was tested to be about 5000 cycles. The bending angle of the actuator is larger than 360° and its movement rate was higher than 150° s^− 1 under a driving potential of 1.0 V versus saturated calomel electrode. Furthermore, the low weight density of graphene based supporting layer greatly lowered the energy or charge consuming of the actuator during electrochemical actuation.     

Infrared photodetectors based on reduced graphene oxide and graphene nanoribbons

The use of reduced graphene oxide (RGO) and graphene nanoribbons (GNRs) as infrared photodetectors is explored, based on recent results dealing with solar cells, light-emitting devices, photodetectors, and ultrafast lasers. IR detection is demonstrated by both RGO and GNRs in terms of the time-resolved photocurrent and photoresponse. The responsivity of the detectors and their functioning are presented.     

RuO2/聚吡咯复合电极的制备及性能

通过热分解法及电化学聚合法的复合工艺制备了RuO2/聚吡咯(PPy)电极材料。使用涂覆热分解法于260℃热处理3h制备得RuO2薄膜,通过电化学聚合法把PPy粒子沉积在RuO2薄膜上。XRD表明该复合物为非晶相;红外光谱测试揭示了相对应离子结合在复合物中;SEM揭示了PPy粒子的增长规律。循环伏安及恒流充放电测试了该复合电极的电化学性能。沉积时间<25min时,复合电极的电容量与沉积时间呈递增关系;沉积时间>25min时,复合电极的电容量与沉积时间呈递减关系。复合电极的比电容则随沉积时间的增加而减小。沉积时间为25min时,其比电容为471F/g。RuO2/PPy电极循环稳定性较好。     

溶剂热法制备Fe_3O_4/氧化石墨烯复合材料及其性能研究

以氧化石墨和二茂铁为原料,采用溶剂热法原位一步合成了Fe3O4/还原氧化石墨烯(Fe3O4/RGO)复合物,通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)、循环伏安测试等手段对复合材料的形貌、结构、磁性能和电化学性能进行了表征。结果表明,该方法具有简单、可控的优点,通过调变前驱物中氧化石墨和二茂铁的比例,可以控制复合物中Fe3O4纳米粒子的负载量。所制备Fe3O4/RGO复合材料由平均粒径约20nm的Fe3O4纳米颗粒高度分散在还原氧化石墨烯片层上组成,具有较好的超顺磁性,电化学稳定性和良好的倍率性能。