[发明专利]一种聚吡咯纳米结构电极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚吡咯纳米结构电极及其制备方法和它在超级电容器中的应用，特别是一种通过无模板自组装法制备使电极基材上覆盖聚吡咯纳米线阵列电极的方法，本发明属于电化学和新能源纳米材料领域。

背景技术

超级电容器是20世纪70年代以来发展起来的一种介于传统电容器和电池之间的新型的储能器件。它与传统电容器相比具有大得多的能量密度，与普通电池相比则具有高得多的功率密度，并且在国防科技、航空航天、信息技术、电动机动车和移动通讯等方面有着极其重要的应用前景。超级电容器根据其储能机理的不同可分为双电层电容器和赝电容器，或者氧化还原电容器。双电层电容器的电极材料以高比表面积的碳材料为主，依靠电极和电解液界面的双电层来存储电荷。赝电容器的电极材料则包括有金属氧化物和导电聚合物，依靠的是电极活性物质发生快速可逆的氧化还原反应来存储电荷。对于双电层电容器而言，其电容值正比于电极/电解质的界面，因此电极的性能受到碳材料比表面积的限制。目前对于比表面积为1000m²g^-1的活性碳，其比电容可以达到150Fg^-1。而与双电层电容器相比，赝电容器则具有更高的比电容值，例如无水氧化钌(RuO₂)和氧化钌水合物(RuO₂.nH₂O)的比电容分别到了385Fg^-1和920Fg^-1，但贵金属高昂的费用限制了其在商业中的广泛应用。相比而言，导电聚合物则具有价格低廉，电导率高以及可以通过的多种方式合成的优点。目前研究较多的导电聚合物包括聚吡咯、聚苯胺和聚乙撑二氧噻吩等，而且这些导电聚合物均是基于膜或者无序的纳米线的电极材料。因此，为了进一步地提高导电聚合物纳米结构的比表面积和便于离子扩散与电子传输，制备高度有序的聚合物纳米结构显得十分迫切与重要。

在2006年22(3)的《物理化学学报》的第261-264也发表了题为“聚吡咯纳米阵列电极的光电化学”一文，文中公开了制备这种纳米器件的方法，它是利用具有阵列纳米孔的阳极氧化铝膜板或刻有阵列直通微孔的聚合物膜为膜板，在孔中制备纳米器件。具体的制备方法如下：1.首先制备多孔阳极氧化铝膜膜板：将高纯铝箔浸泡于饱和的Hg₂Cl₂溶液，通过置换反应，逐渐将金属铝溶解，使氧化铝膜从铝基体上剥落下来，最后将氧化铝膜在质量分数为20％的硫酸溶液中浸蚀，以除去膜底部的阻挡层，就可得有序阵列通孔的氧化铝膜板。2.聚吡咯纳米线阵列电极的制备：Pt盘电极在1mol L^-1H₂SO₄溶液中，在-0.2～1.3V之间多次扫描以得到清洁的表面。用氯化聚丙烯的甲苯溶胶涂在通孔的多孔氧化铝膜周边，并把它固定在Pt盘上作为工作电极，面积为0.2cm²，以铂丝为对电极，饱和KCl溶液的Ag/AgCl为参比电极，在0.1mol L^-1吡咯和0.2mol L^-1LiClO₄混合溶液中，于恒定电位0.8V下在纳米孔中电沉积聚吡咯纳米线，得Pt/AAO/PPy阵列电极。

在2001年第24期的《先进材料(ADVANCED MATERIALS)》公开了题为“阵列化的聚噻吩微米和纳米管(Aligned Polythiophene Micro andNanotubules)”一文，文中采用氧化铝微孔膜制备线性聚噻吩纳米管，得到的聚噻吩纳米线阵列如图4所示，采用文中公布的方法也可以制备聚吡咯纳米线阵列，得到的纳米线阵列图与图4相近。从该图上看出聚吡咯纳米线阵列不能整齐排列在模板上，而是在模板上一簇簇排列，每簇的阵列之间有明显的裂痕。

发明内容

本发明的一目的是提供一种聚吡咯纳米结构电极。

本发明的另一目的是提供制备聚吡咯纳米结构电极的电解液。

本发明的再一目的是提供聚吡咯纳米结构电极的制备方法。

本发明的再一目的提供了聚吡咯纳米结构电极在超级电容器中应用。

本发明一方面提供了一种聚吡咯纳米结构电极，该电极基材上仅覆盖均匀分布的聚吡咯纳米线阵列，该阵列上的聚吡咯纳米线间距为100-200nm，并且该阵列在所述的基材上整齐排列。

优选地，所述阵列上的聚吡咯纳米线间距为140-170nm。

优选地，聚吡咯纳米线阵列的纳米线直径为70-100nm，长度为500nm-3μm。