[发明专利]一种石墨烯和聚苯胺复合纸的制备方法及其产品

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，更具体地涉及石墨烯/聚苯胺复合纸的制备方法及其产品。

背景技术

超级电容器作为一种电化学能量存储器件，已经吸引了越来越多的研究兴趣。石墨烯是具有sp²碳原子以六方晶格形式排列起来的单原子层结构，由于其高电子导电性、高机械强度以及大比表面积等优异性质，使其成为新型而富有竞争力的电活性电极材料。而聚苯胺是一种被广泛用作赝电容材料的导电聚合物，它具有廉价、易于合成、环境稳定及大的比电容值的优点。然而，在充放电时，对离子插入和释放过程中，聚苯胺的溶胀和收缩会破坏聚合物的骨架，这就极大地损害了其充放电循环寿命。因此，充分结合石墨烯和聚苯胺的优势性能，对于构筑一种既具有大的能量密度又具有高的功率密度的超级电容器材料是非常有科学意义和应用前景的思路。

从石墨烯/聚苯胺复合材料国内外研究趋势来看，大多数的研究成果集中在粉末状复合材料的制备。在电极的制作过程中，为了将粉末粘附在导电基底上，噻吩等粘合剂的使用大大增加了能耗。因此，制备自支撑的石墨烯/聚苯胺宏观薄膜材料或者纸质材料不仅方便使用，还可以克服粉末材料引起的缺点。目前，《美国纳米》(ACS Nano，2010年4期1963页)报道了用真空抽滤石墨烯和聚苯胺混合分散液的方法制得石墨烯/聚苯胺复合纸，但由于这两种组分之间缺少真正的相互作用，使得电极材料的电容值偏低。《美国纳米》(ACS Nano，2009年3期1745页)报道的另一项关于制备石墨烯/聚苯胺复合纸的工作，是用真空抽滤的方法制备石墨烯纸，然后在其上用电化学聚合的方法电镀上聚苯胺，但由于用真空抽滤制得的石墨烯纸导电性能一般，导致材料的电容性能不高。为了提高此类材料作为电极材料的实际应用前景，急需发展一种廉价、便利的技术手段制备大量的同时具备高电容性能的石墨烯/聚苯胺复合纸。

发明内容

本发明主要是针对目前的有限技术而提供一种石墨烯/聚苯胺复合纸的制备方法。

为此，本发明提供一种石墨烯/聚苯胺复合纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.提供氧化石墨烯分散液；

b.将所述氧化石墨烯分散液与还原剂混合以得到浆料，然后将所述浆料涂覆在衬底上，接着进行烘干以得到石墨烯纸；和

c.通过将聚苯胺沉积在所述石墨烯纸上而得到所述石墨烯/聚苯胺复合纸。

在一个优选实施方式中，所述氧化石墨烯分散液通过以下步骤提供：

a1.将石墨烯鳞片和硝酸盐如硝酸钠或硝酸钾的混合物加入到强酸如浓硫酸、浓硝酸中进行预氧化，搅拌得到分散液；

a2.向a1的所述分散液中加入强氧化剂如高锰酸钾，搅拌，放置1-10天，得到棕灰色糊状物；

a3.向a2的所述棕灰色糊状物中依次加入去离子水和双氧水，得到亮黄色分散液；

a4.将a3的所述亮黄色分散液离心、洗涤和透析，得到所述氧化石墨烯分散液。

在一个优选实施方式中，所述步骤b中的还原剂是氢碘酸、水合肼或硼氢化钠。

在一个优选实施方式中，所述步骤b中使用氢碘酸水溶液作为还原剂，并且所述氧化石墨烯分散液与所述氢碘酸水溶液的体积比为(10～5)∶1。

在一个优选实施方式中，所述步骤b中的衬底是特氟龙(或聚四氟乙烯)。

在一个优选实施方式中，所述步骤b中的烘干温度为60～90℃。

在一个优选实施方式中，所述步骤b中的烘干时间为1～8小时。

在一个优选实施方式中，在所述步骤b中还包括将对烘干后的衬底上的石墨烯纸用依次用水和醇(如乙醇)清洗并晾干，从而从所述衬底上获得完整的石墨烯纸。

在一个优选实施方式中，所述步骤c中，通过电化学聚合苯胺单体而将聚苯胺电镀沉积在所述石墨烯纸上，从而形成所述石墨烯/聚苯胺复合纸。

在一个优选实施方式中，所述电镀沉积通过以下步骤实现：

c1.在水和乙醇混合溶剂中配制1摩尔/升的硫酸溶液；

c2.将苯胺单体加入到步骤c1获得的混合溶液中；和

c3.用三电极法进行电化学聚合，其中以所述石墨烯纸为工作电极，以铂电极为对电极，以银/氯化银为参比电极，并且以步骤c2获得的混合溶液为电解质。

在一个优选实施方式中，所述水和乙醇混合溶剂中的水和乙醇的体积比是(1-10)∶1。

在一个优选实施方式中，使用浓度为0.05～0.5摩尔/升的苯胺溶液。

在一个优选实施方式中，所述电化学聚合过程中的工作电压为0.8伏。