[发明专利]石墨烯负载有序聚苯胺纳米棒阵列电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料领域，涉及一种超级电容器电极材料的制备方法，具体涉及一种石墨烯负载有序聚苯胺纳米棒阵列电极材料的制备方法。

背景技术

聚苯胺是一种最具代表性的导电聚合物，具有原料廉价，制备容易，环境稳定性优异，理论比电容高，无毒害等特点，而被广泛用作超级电容器电极材料。但是在充放电循环过程中，聚苯胺的体积反复发生膨胀/收缩变化，造成高分子链的破坏，导致电化学稳定性不理想。同时，聚苯胺的电导率受体系酸碱度和工作电位的影响较大。这制约了其在电极材料方面的应用。

石墨烯呈现二维晶体结构，拥有极大的比表面积，高的电导率和突出的导热性能，在电极材料的应用上也备受关注。将石墨烯与聚苯胺复合，利用二者的协同效应，可以改善聚苯胺的循环稳定性，并降低了复合材料的内阻。石高全等(ACS NANO，2010，Vol.4，1963)将石墨烯与聚苯胺纳米纤维混合通过真空过滤技术得到石墨烯/聚苯胺复合电极材料，其比电容值达到210F g^-1，800次循环后，容量损失26.1％。王金清等(New J.Chem.，2011，Vol.3，369)通过静电吸附法制得石墨烯/聚苯胺复合材料，比电容达到301F g^-1，800次循环后，容量损失33.2％。范壮军和魏飞等(Carbon，2010，Vol.48，487)运用原位聚合技术制得石墨烯/聚苯胺复合材料。然而由于石墨烯极易团聚，采用上述技术很难获得结构均匀的复合材料。

为了克服石墨烯的聚集缺陷，中国专利CN101985517和CN101781459A公开了一种制备石墨烯/聚苯胺复合材料的新方法，首先以良好分散性的氧化石墨烯为载体，借助原位聚合方法得到聚苯胺-石墨烯氧化物复合物，然后通过还原制得结构均匀的石墨烯/聚苯胺复合材料。但该技术工序较复杂，并且在还原过程中对聚苯胺化学结构破坏程度较大，从而会影响到复合材料的整体性能。因此如何制备均匀结构，性能优良的石墨烯/聚苯胺导电复合材料对于其在电极材料方面的应用具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石墨烯负载有序聚苯胺纳米棒阵列电极材料的制备方法，以该方法制备的复合材料具有比电容高，倍率特性和电化学循环性能优异等特点，可满足高储能密度超级电容器电极材料的要求。

本发明的构思如下：

我们运用低温界面聚合技术，将苯胺溶解在有机溶剂中，将过硫酸铵氧化剂和磺化石墨烯分别溶解和分散在质子酸水溶液中，通过降低苯胺的聚合速率和抑制聚苯胺二次生长和聚集，以实现聚苯胺组分的结构纳米化。为了防止质子酸水溶液在低温下出现凝固，我们在质子酸水溶液中添加了低凝固点的醇类溶剂。本发明选用磺化石墨烯为载体，是为了克服石墨烯易团聚的缺陷，以确保石墨烯在酸性水溶液中能良好分散。磺化石墨烯与苯胺齐聚物间的π-π堆叠作用以及磺酸基对苯胺齐聚物的掺杂作用，使得苯胺齐聚物牢固地吸附在磺化石墨烯片层表面，并以其为核原位生长，形成阵列结构的石墨烯负载有序聚苯胺纳米棒复合材料。这种特殊的形貌结构赋予复合材料较高的比电容和倍率特性以及良好的循环稳定性。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种石墨烯负载有序聚苯胺纳米棒阵列电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将磺化石墨烯加入到浓度为0.2～3mol/L的质子酸水溶液中，磺化石墨烯的用量为0.5～5g/L质子酸水溶液，超声分散15～30分钟后，再加入过硫酸铵并使其溶解，然后加入一定量的醇类溶剂，并混合均匀，作为水相；将苯胺溶解在有机溶剂中，控制苯胺浓度为0.01～0.5mol/L有机溶剂，作为油相；然后，再将其中一相倒入另一相中，静置反应12～48小时，控制反应温度-10～0℃，过滤，用乙醇和去离子水洗涤、干燥后，得到石墨烯负载有序聚苯胺纳米棒阵列电极材料；

其中，所述的过硫酸铵与苯胺的摩尔比为过硫酸铵∶苯胺＝1∶(1～6)；

所述的醇类溶剂为选自乙醇或异丙醇中的一种，所述的醇类溶剂与质子酸水溶液的体积比为醇类溶剂∶质子酸水溶液＝1∶(5～20)；

所述的质子酸为选自盐酸、高氯酸、硫酸中的一种；

所述的有机溶剂为选自氯仿、四氯化碳、二氯甲烷、二硫化碳、甲苯、二甲苯、甲乙苯和均三苯中的一种。