前言：环境问题、能源危机，正以极快的速度导致煤炭、天然气、石油等主要能源，资源紧缺。为了满足对能原材料料不断增长的需求，研究人员付出了巨大努力，来设计和开发用于节能和储能的独特材料。

一方面是因为现代社会现代社会对便携式和柔性电子设备的需求不断增加；另一方面，则是偏远地区缺乏高成本的布线、公共电网和电力供应。从而引发了轻质、超薄、柔性、廉价和可持续的高性能储能设备的发展。

在这些储能装置中，超级电容器（SCs）以其高比电容、高功率密度（Pd）、低维护、长循环寿命和环境友好性等独特性能而备受人们青睐。

这些SCs充当传统电容器（具有高功率）和燃料电池/电池（具有高储能）之间的能量-功率差桥。

为了进一步阐明，在Ragone图中，将各种储能设备的功率密度(Pd)和能量密度(Ed)与SCs进行了比较。说明燃料电池是高能系统，SCs是高功率的，电池具有中间功率和能量能力。

由于其高功率密度、长循环寿命、稳定性、快速充电、放电速率、可逆性、可靠性和良好的操作安全性等特点，所以燃料电池和SCs与电池的Ed和Pd会存在一些重叠。

一、目的

近年来，碳基纳米材料（活性炭、碳纳米管、石墨烯和碳点）正被用作，金属氧化物纳米粒子和超级电容器应用聚合物的基材。

碳纳米管的高表面积和良好的导电性，导致在法拉第电荷转移反应期间更快的电子转移速率，从而增强了碳纳米管（CNT）、SCs的电容。

量子点(QDs)是一种新型的纳米级半导体晶体。量子点的尺寸小于玻尔半径，范围为2-6nm，与核酸和蛋白质等生物大分子的尺寸相似。属于元素周期表第II-VI族的硫化镉量子点（CdS-QDs），带隙为2.42eV。

它们具有较大的表面积与体积比。基于量子点的超级电容器(QDSCs)，因其具有带隙可调性、高吸收系数、热载流子萃取、多激子产生、溶液可加工性和低成本、易于制备等优异特性，被认为是最有前途的材料之一。

众所周知，导电聚合物（CP）聚吡咯，因其高比电容、优异的热稳定性、低成本、简单的制造工艺、良好的环境稳定性和优异的导电性等特点，所以在光电器件、存储器件、光催化和电化学性能增强中都占有非常重要的作用。

并且由于聚吡咯中，还存在吡咯单体的良好功能性和取代模式等特性。因此，这种导电聚合物还同时具有化学多样性的优点，如耐腐蚀、柔韧性和低密度等。

有文献指出，吡咯（PPy）/CdS和CNT/PPy等二元复合材料，在PPy与CdS-QDs杂化时，导电性通过空穴富集的PPy和电子富集的CdS的电子-空穴复合而增强。此外，当CdS-QDs与PPy结合时，还可以防止光腐蚀。

生命周期稳定性差，虽然是PPy基超级电容器的主要缺点，但由于其高表面积、高导电性、化学和机械稳定性，因此可以通过添加CNT来控制超级电容器。

到目前我们可以得知，纳米管和聚合物之间的界面结构，包括聚合物的形态和厚度，对于在许多潜在应用中，调整它们的结构和性能至关重要。因此，设计杂化纳米复合结构的电容材料是实现大表面积和高导电率的有效途径之一。

这反过来又分别提供了更多的法拉第反应位点和加速电荷转移，从而提高了超级电容器的电容性能。

本综述旨在通过研究MCP纳米复合材料的合成、电化学能力和抗菌功效来填补知识空白，并希望能在一定程度上帮助我们消除环境问题。

二、过程

1.将多壁碳纳米管(MWCNT)酸功能化，使其特性从疏水性变为亲水性。

2.通过超声和干燥处理，制备MWCNT/CdS二元纳米复合材料。

3.吡咯化学聚合使MCP纳米复合材料从二元转化到三元。

4.表征

使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线(EDX)和映射进行分析。

在4000-400cm-1的波长范围内，从分光光度计获得傅里叶变换红外（FTIR）光谱。

5.电化学测量

电化学研究是在具有3个电极系统的电池上进行的，其中铂丝作为黑色对电极（CE），铂固体作为红色工作电极，银以及含3Mmol/L的氯化钾饱和溶液（3MKCl）的氯化银（Ag/AgCl）作为参比电极（RE）在电化学工作站上呈绿色。

相对于Ag/AgCl（3MKCl），在测量前5秒的休息时间内，电位从-0.1扫至+0.6V，。扫描速率为10mVs-1、25mVs-1、50mVs-1和100mVs-1。通过循环伏安法和电化学阻抗谱(EIS)进行研究。

在1MKCl溶液中进行CV分析，并使用频率响应分析仪和恒电位仪进行EIS估计，恒电位仪的频率范围为0.1至105Hz，交流振幅为10mV。

三、结果

1.FTIR光谱分析

3400cm-1处的宽峰表示羟基(OH)的延伸。

1740cm-1处的峰表明，-COOH基团（由于酸功能化而附着在MWCNT的表面）在MWCNT/CdS的形成过程中，变为羧酸根(-COO-)，表明Cd2+与MWCNT表面上的-COO-键合。

合成的纳米复合材料中，出现在1570cm-1和1497-1430cm-1处的峰，代表了聚吡咯的表征峰，表明吡咯成功聚合。

这些峰分别归因于吡咯环的反对称、对称和反对称C-C伸缩振动。同时，在1548cm-1处也可以观察到，C-C伸缩振动峰值，会随着MWCNTwt%的增加而增强。

因此，可以得出结论，纳米复合材料中的多壁碳纳米管和硫化镉纳米粒子之间，存在化学键合功能。1276、1148和1053cm-1处的频带，与C-H弯曲模式相关。

然而，随着MWCNT重量百分比的增加，FTIR峰出现微小移动。这是由于MWCNT、CdS和PPy之间的强协同相互作用，出现的峰位置变化。

2.形态解释（SEM、TEM、EDAX、映射和SAED）

合成的MWCNT/CdS/PPy纳米复合材料，通过不同放大倍数下，不同分辨率的TEM和SEM显微照片，可以观察其完整的内部形态。

其中细长的MWCNTs管被包裹在PPy基质中的球形CdS量子点包围，只有少数MWCNT位于松散的外部，与MWCNTs/TiO2和MWCNT/PPy杂化复合材料相同。

研究表明，PPy和MWCNT之间的相互作用，压倒了MWCNTs之间的范德瓦尔斯力，并与PPy形成键。CdSQDs紧密结合在MWCNT表面，表明CdS和MWCNT之间存在化学键，并有利于电荷转移。

EDAX结果和纳米复合材料中所有元素的相应重量百分比，进一步证实了（聚吡咯的）Cd、S和N以及其他元素C、O、Fe和Cl在三元复合物中的存在。

3.电化学研究

通过观察f-MWCNT、0.07 wt% MWCNT/CdS/PPy、0.05 wt% MWCNT/CdS/PPy 和 0.01 wt% MWCNT/CdS/PPy 纳米复合材料的循环伏安法(CV) 曲线。

在扫描速率为10mVs -1、25 mVs -1、50 mVs -1 100 mVs -1的情况下，在 -0.1 至 +0.6 V的电位窗口内测量，0.01 wt% MWCNT/CdS/PPy纳米复合材料的覆盖面积最大。

因此，与 f-MWCNT、0.07 wt% MWCNT/CdS/PPy 和 0.05 wt% MWCNT/CdS/PPy 相比，0.01 wt% MWCNT/CdS/PPy具有优异的电容性能，和更强的电流水平（Ipa = 4.740 μA，Ipc = −3.150 μA）。

纳米复合材料的性能改善，可以用高假电容性聚吡咯、CdS和高导电f-MWCNT（功能化多壁碳纳米管）的协同效应来解释。通过增强电子电导率和比电容，从而改善电化学性能，例如与纯f-MWCNT相比，杂化纳米复合材料储能能力更大。

4.纳米复合材料在不同扫描速率下的CV，对MWCNT/CdS/PPy超级电容行为的影响

正如有些文献中所述，研究是为了评估同化纳米复合材料中的过程，是扩散控制还是吸附控制。

CV面积会随着扫描速率的增加而增加，这也意味着电容的增加。此外，随着扫描速率的增加，Epa向更正的电位移动，从而导致峰值电流(Ipa)增加。

5.电化学阻抗谱(EIS)：奈奎斯特图和波德图

为了进一步证实合成纳米复合材料的电容行为，可以利用电化学阻抗谱(EIS)对其电化学性质进行全面研究。

相应电路EIS可用奈奎斯特图表示。本次所使用的的奈奎斯特图，有两个半圆和一个线性部分（略微倾斜45°）。高频部分（大于104Hz）中的第一个半圆，代表电极处，因电化学反应困难而产生的溶液电阻（Rs）。

该Rs是通过图的x轴上半圆的截距提取的（Zreal，代表欧姆特性）。Rs数据决定了SCs可以充电或放电的速率，它是预测SCs功率密度的重要因素，因为功率密度与(Rs)成反比。

而出现在中频率区(104至1Hz) 的第二个半圆，是由电极/电解质界面处的，电荷转移电阻（Rct）及相应的化学电容（Cμ）产生的。EIS半圆的直径与电极/电解界面处的电子迁移率电阻成正比。

直径越大，电荷转移电阻越高，电池中的电子迁移率（电流）越低。因此，EIS评估证明了CV曲线的合理性。

低频区域（小于1Hz）中的线性部分，对应于电解液中的Warburg扩散阻抗(ZW)，表明电容器的特性。Zw的长线表示电解离子的通道减少。

在高频时，具有超级电容的材料表现为原始电阻器，而在低频时表现为原始电容器。

线性部分曲线，称为波德图。频率与阻抗的波德图显示，电容随着频率的增加而减小。这表明在高频时电阻很小，在低频时显示具有负斜率(-1)的斜线，意味着纳米复合材料的电容行为接近理想。

四、笔者认为

我们通过使用溶胶-凝胶化学方法，将硫化镉和聚吡咯结合到多壁碳纳米管中，合成了一种高性能、柔性、大存储电容的超级电容器。各种表征技术也证实了，三重纳米复合材料的成功同化。

电化学研究表明， 0.01wt%MWCNT/CdS/PPy纳米复合材料，表现出令人印象深刻的高超级电容行为。

纳米复合材料性能的提高，主要归因于碳纳米管和聚吡咯的良好导电性和碳纳米管的稳定性，以及硫化镉量子点丰富的电催化活性。

尽管连续高含量的f-MWCNT不利于超级电容行为，但总的来说，同化的纳米复合材料MWCNT/CdS/PPy为即将到来的能量转换和储能设备的发展开辟了广阔的前景。

总而言之，该研究扩展了新的策略和应用，以应对能源危机，开发具有改进的阳极和阴极电流的储能设备。

参考文献：

1. Banerjee.S，Wong.SS，《多壁碳纳米管上的原位量子点生长》，美国化学学会杂志，(2003)。

2. Hasan.M，Hossain. E，Mamun 和 Ehsan.MQ，《使用循环伏安法研究 Cd(II) 的氧化还原行为以及 Cd(II) 与水性介质中脯氨酸的相互作用》，沙特化学学会杂志(2012)。

3. Poonam.Sharma. K，Arora.A，Tripathi.SK，《超级电容器回顾：材料和设备》，储能杂志，（2019 年）。