PPE制备及表征方法

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：在图5.34中，TEM图像显示PPE纳米线的直径约为200 nm。图5.33通过电化学共聚法制备有序垂直排列的PPE纳米线阵列的过程接下来，还通过元素面扫证明了所制备的PPE纳米线的元素含量与原料的成分一致。PPy和PEDOT纳米线的元素含量均与各自分子结构中元素的比例一致。EDS证实了PPE纳米线是由PPy和EDOT单体共聚形成的，并且PPy和EDOT的比例约为3∶1。

1.实验原料

EDOT购自Aldrich试剂公司。其他化学药品均为分析纯，可从北京化学试剂有限公司商购获得。从Whatman公司购买了孔径为100 nm、厚度为60 mm的AAO模板。本节所提纳米线均是在自制的反应器中合成的。

2.PPE、PPy和PEDOT纳米线阵列的合成

制备3种类型的纳米线阵列的一般合成程序如下：首先，在AAO模板的背面上溅射一层厚度约为1 μm的金层作为导电层；然后，将AAO模板放入自制的电浴中作为工作电极，将银/氯化银电极用作参比电极，并将铂箔用作对电极，最终构成了一个三电极电化学系统。通过循环伏安法以0.05 V·s-1的扫描速率在吡咯（10 mmol/L）、EDOT（90 mmol/L）和LiClO4（0.1 mol/L）的色谱纯乙腈溶液中进行PPy-co-EDOT（PPE）的电沉积适当的时间。同时，分别使用10 mmol/L吡咯和10 mmol/L EDOT制备PPy和PEDOT纳米线作为对照样品。将AAO模板用NaOH溶液（2 mol/L）进行选择性蚀刻，并用去离子水和乙醇清洗几次除去NaOH和其他杂质，以进行后续分析；最后，将获得的样品再次用去离子水多次冲洗，并在室温下于空气中干燥以进行相关的表征和性能测试。

3.PPE超级电容器的制备

式中I是恒定放电电流；Δt是放电时间；m是一个电极内活性样品的质量；ΔV是放电时的电压降（不包括IR压降误差）。能量密度（E）和功率密度（P）可通过恒电流充/放电实验后使用下式计算得到：

式中，V是放电电压；t是放电时间。

4.PPE超级电容器的表征

SEM图像是从Hitachi S4800 FESEM显微镜以5 kV的加速电压拍摄的。TEM图像是从TECNAI F30高分辨率透射电子显微镜上以200 kV的加速电压拍摄的。在扫描透射电子显微镜（STEM）中设置电压为30 kV的条件下对样品进行元素分析。通过循环伏安法和CHI660D电化学工作站上的恒电流充/放电研究电容器电极的电化学特性。综上所述，所有实验均在两电极系统中于0.1 mol/L的LiClO4水溶液中进行。循环伏安法和恒电流充/放电测试的电势范围为0～1.0 V。循环伏安法的扫描速率为10 mV/s、50 mV/s和100 mV/s，通过施加5 mV振幅的AC电压记录电化学阻抗谱（EIS）。需要指出的是初始电位的频率范围为0.1～105Hz。

通过电化学共聚法制备有序垂直排列的PPE纳米线阵列的过程如图5.33所示。SEM和TEM图像均提供了有关PPE纳米线的聚集形态和结构的重要信息。从图5.34中可以观察到高度有序的纳米线阵列从AAO模板孔的内表面突出。它们的直径均为约200 nm，长度约为15 μm，纳米线的长度可以通过改变沉积时间实现精确控制（图5.34（c））。在图5.34（d）中，TEM图像显示PPE纳米线的直径约为200 nm。纳米线被认为在高放大倍率TEM图像中是高度致密的。

图5.33　通过电化学共聚法制备有序垂直排列的PPE纳米线阵列的过程

接下来，还通过元素面扫证明了所制备的PPE纳米线的元素含量与原料的成分一致（图5.34（e））。不同的元素分别在图5.34（e）中展示出来（C、N、O和S）。相比之下，PPy纳米线的C∶N比约为4∶1（79.12∶17.27），而PEDOT纳米线的C∶S∶O比例约为6∶1∶2（68.76∶11.16∶20.08）。如图5.34（f）所示。PPy和PEDOT纳米线的元素含量均与各自分子结构中元素的比例一致。PPE纳米线共聚物的C∶N∶O∶S的比率约为18∶3∶2∶1（78.57∶12.07∶6.64∶2.72），其中C∶N和C∶S的比率均小于PPy和PEDOT样品。EDS证实了PPE纳米线是由PPy和EDOT单体共聚形成的，并且PPy和EDOT的比例约为3∶1。

图5.34　PPE纳米线的微观形貌与组分表征

（a）PPE纳米线阵列的横截面SEM图像；（b）PPE纳米线阵列的俯视SEM图像；（c）单根PPE纳米线的SEM图像；（d）单根PPE纳米线的TEM图像（插图为PPE纳米线的更高放大倍数图）；（e）PPE纳米线的C、N、O和S元素映射；（f）PPE纳米线的C、N、O和S元素含量（原子百分比）

PPE制备及表征方法

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