[发明专利]一种核壳结构聚吡咯/多壁碳纳米管复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及导电聚合物复合材料，具体地说，是通过三相界面聚合的方法制备具有核壳结构的聚吡咯/多壁碳纳米管复合材料，这种复合材料可潜在应用于超级电容器电极材料。

背景技术

聚吡咯(PPy)由于具有合成简单、导电性良好以及环境稳定性好等诸多优点被广泛地应用在传感器、电子器件、生物医学等领域。但纯PPy难溶、难熔、电导率不高。为了改善PPy的性能，可以将PPy与一些无机纳米粒子进行复合。而多壁碳纳米管(MWCNTs)具有优异的力学、电学、电化学等性能，骨架结构中含有sp²和sp³杂化的碳原子，且在其边壁和端帽部分存在大量结构缺陷，可与电子给体和电子受体发生掺杂，以其为导电粒子填充聚合制备的复合材料，材料的力学性能和导电性能可同时得到提高，因此，将PPy与MWCNTs复合制备导电复合材料，将具有重要的研究意义和实用价值。

PPy/MWCNTs复合材料通常采用原位化学或电化学方法制备，原位聚合最终得到的纳米复合材料的理想微观结构是PPy对MWCNTs的完整包裹，MWCNTs与PPy之间能够形成所谓的核-壳结构，这种核-壳结构有利于克服MWCNTs的团聚现象，保证其在PPy基体中的均匀分散。可通过添加表面活性剂和模板的方法制备具有核壳结构的PPy/CNTs复合材料(参见：Zhang X，Zhang J，Wang R，Zhu T，Liu Z.Surfactant-directed PPy/CNT nanocables：synthesis，chacterization，and enhanced electrical properties，Chem.Phys.Chem.2004，5：998-1002.Zhang X，Zhang J，Liu Z，Conducting polymer/carbon nanotube composite films made by in situ electropolymerization using an ionic surfactant as the supporting electrolyte.Carbon 2005，43：2186-2191.Wang J，Dai J，Yarlagadda T.Carbon nanotube-conducting polymer composite nanowires.Langmuir 2005，21：9-12.)这些方法得到的复合材料中PPy层往往较厚且不均一，同时由于CNTs在氧化剂体系中很容易团聚，得到复合材料中还有很多CNTs和PPy的团聚体。因此，要克服这一问题，必须想办法提高CNTs在溶液中的分散性并调控吡咯单体的聚合速度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用三相界面聚合制备核壳结构PPy/MWCNTs复合材料的制备方法，该方法简单，常温下即可反应，无需添加表面活性剂和模板。由这种方法制备得到的复合材料膜具有核-壳微观结构，用作超级电容器电极材料时具有较高的比电容。

为了实现以上的发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有核壳结构的聚吡咯/多壁碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

(1)将吡咯溶解在有机溶剂中，搅拌并利用超声波分散，形成溶液，备用，吡咯溶液的质量浓度是1.9-10.1g/L，较佳的范围是4.7-8.0g/L。吡咯使用前经重蒸，是为了使吡咯纯化，所述的有机溶剂可是正己烷、苯或甲苯的任一种。

(2)将多壁碳纳米管加入去离子水中，搅拌并利用超声波分散，形成分散液；多壁碳纳米管分散液的质量浓度是0.7-1.9g/L。

(3)将氧化剂加入比重大于水的疏水溶剂中，超声，形成溶液；所述的疏水溶剂是二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐或1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的任一种；所述的氧化剂是过硫酸铵、无水三氯化铁、九水硝酸铁或1-丁基-3-甲基四氯化铁的任一种。

(4)先将步骤(2)获得的分散液利用滴管缓慢注入步骤(3)获得的溶液中，然后再将步骤(1)获得的溶液利用滴管移至步骤(3)获得的溶液内，形成清晰的有机-水相界面；多壁碳纳米管与吡咯的质量比为1∶1-1∶9；吡咯溶液、多壁碳纳米管分散液与氧化剂水溶液的体积比为1∶1∶1。

(5)静置反应12-24h，收集水相产物，并用水、乙醇反复清洗，烘干，获得聚吡咯/多壁碳纳米管复合材料。烘干温度是60℃，烘干时间是24h。