[发明专利]ZnO/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合材料的制备方法及三元复合材料的应用

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种ZnO/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合材料制备方法及其制备出的ZnO/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合材料在作为超级电容器电极材料的应用。

背景技术

随着社会经济的发展以及人们对绿色能源和生态环境保护意识的加强，超级电容器作为一种新型的储能器件越来越受到人们的重视，它能提供比静电电容器更高的能量密度，比电池更高的功率密度和更长的循环寿命，且在电动汽车、通信和工业领域等有广泛的应用。超级电容器的性能主要取决于电极材料，目前所研究的超级电容器电极材料主要包括：双电层碳基材料和赝电容材料(过渡金属氧化物和导电聚合物)。碳材料具有电位窗口宽、功率密度高、循环稳定性能好和成本低等优点，但其比电容较低；过渡金属氧化物通常具有高的比电容，但倍容率和稳定性较差且成本高；而导电聚合物的电活性较高，但循环性能差是其致命弱点。在超级电容器电极材料的设计中，常常将双电层碳基材料和赝电容材料通过适当途径进行复合，以期望充分显现不同材料的优势，取得两种电容行为间的正协同作用。目前除了二元复合物之外，研究和制备碳材料与过渡金属氧化物和导电聚合物的三元复合电极材料也越来越受到人们的关注。

石墨烯作为一种新型的碳材料，因其超大而完美的sp²杂化体系使其具有无与伦比的面内电荷传输性能，单分子层的厚度又使其具有超高的理论表面积，在发展新型复合材料、构建高性能电化学新能源器件方面受到了广泛的关注；ZnO因其造价低、环境友好以及容易生长在各种基底上等特性，已成为超级电容器很有潜力的候选材料；PPy因制备方便、电导率高、空气稳定性好以及丰富多变的电化学性能而受到国内外学者的密切关注。结合三者的特性，制备得到的复合材料作为超级电容器电极材料，不仅能够实现材料性能和成本的合理利用，并且具有单一电极材料所不具备的优良性能，应用前景十分广泛。

发明内容

本发明的目的是提供了一种ZnO/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合材料的制备方法。

本发明的另一目的是提供该ZnO/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合材料作为超级电容器电极材料的应用。

本发明ZnO/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合材料的制备，先将GO超声分散再与Zn(NO₃)₂溶液混合得到混合溶液，然后用碱调节其pH(8～9)，进一步水热处理，得到ZnO/RGO二元复合物；紧接着以二元复合物为模板，通过化学氧化法聚合Py单体，最终得到ZnO/RGO/PPy三元复合材料。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种ZnO/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合材料的制备方法，其步骤是：

(一)二元复合物ZnO/RGO的制备工艺：

先将Zn(NO₃)₂溶解到水中，并置于冰水浴中，同时将GO分散在水中超声处理2h后呈亮黄色溶液，接着将亮黄色溶液缓慢加入到置于冰水浴中的Zn(NO₃)₂溶液，搅拌混合液1h，然后向混合液中滴加1M的KOH溶液至pH＝8～9，搅拌反应2h，移至高压反应釜，保持180℃水热12h，然后经过滤、洗涤、60℃干燥后，得到二元复合物ZnO/RGO；

(二)三元复合物ZnO/RGO/PPy的制备工艺：

将二元复合物ZnO/RGO分散溶入表面活性剂的水溶液中超声处理2h，然后将其置于冰水浴中搅拌，缓慢加入溶有吡咯(Py)单体的乙醇溶液，超声处理使吡咯完全吸附在ZnO/RGO复合物上，然后再缓慢加入(NH₄)₂S₂O₈溶液，冰浴搅拌反应24h，最后经过滤、洗涤、60℃干燥后，最终得到三元复合物ZnO/RGO/PPy。

上述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，或为十二烷基苯磺酸钠(DBSNa)；氧化聚合Py的氧化剂为(NH₄)₂S₂O₈，或为FeCl₃，或为H₂O₂。

ZnO/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合材料制作超级电容器电极，其特征是

a.超级电容器电极材料为ZnO/RGO/PPy、导电石墨、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液，其中：ZnO/RGO/PPy、导电石墨、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按75∶10∶10∶5的质量比混合制作电极。