[发明专利]一种石墨烯/聚苯胺球状复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机、无机导电复合材料，尤其涉及到一种石墨烯和聚苯胺导电复合材料的制备方法。

背景技术

聚苯胺作为导电高分子的一种，由于其具有原料价格便宜、合成工艺简单、较高的导电率、产率，良好的化学稳定性和对环境友好等特点，一直备受关注，在化学电源、抗静电、超级电容器、电磁屏蔽和传感器等方面有着广阔的应用前景。石墨烯自从2004年被发现后，至今为止一直成为全世界研究的焦点。由于它独特的二维结构，优良的力学、热学、电学性能，在电子器件、锂离子电池、超级电容器、复合材料等众多领域得到广泛的应用。也正是由于石墨烯和聚苯胺各自在电性能方面的优势，近期开始出现石墨烯与聚苯胺复合材料的报道[参见：D.W.Wang,F.Li，J.P.Zhao,W.C.Ren,Z.G.Chen,J.Tan,Z.S.Wu，I.Gentle,G.Q.Lu,H.M.Cheng.ACS Nano.3(2009)1745]。但由于石墨烯之间容易团聚，导致其复合材料结构混乱，没有均一的形貌，单层石墨烯的大的比表面积难以利用，使得复合材料在作为超级电容器电极材料时的比容量仍然较低。尽管已有石墨烯/聚苯胺复合材料方面的报道[参见：Kai Zhang,Li Li Zhang,X.S.Zhao,Jishan Wu.Chem.Mater.2010(22)1392-1401]，但还未见到有一种可以制备出均一的石墨烯/聚苯胺球形形貌的复合材料的报道。此球状形貌具有纳米或微米级尺寸，表面具有孔洞，类似于菜花球状。正是由于特殊的孔洞形貌结构，使得导电时电子转移路径较短，阻力较小，有效的提高了复合材料的导电和电子传输性能。同时此球状形貌的制备过程，克服了石墨烯的自发团聚，充分利用了石墨烯的大的比表面积，并且由于具有球状孔洞结构，增大了复合后材料的比表面积，从而再次显著的提高了其电化学电容性能。

发明内容

技术问题：本发明涉及一种利用原位聚合法，在未用酸掺杂聚苯胺的情况下制备出均一的石墨烯/聚苯胺球状复合材料，并在之后再用酸浸泡的手段制备出一种石墨烯/聚苯胺球状复合材料的制备方法。

技术方案：本发明提供了一种制备均一的石墨烯/聚苯胺球状复合材料的方法，其特征在于由以下步骤制备而得：

第一步，氧化石墨的制备采用通用的S法[参见：L.Staudenmaier，Ber.Dtsch.Chem.Ges.31(1898)1481]。如用浓硫酸、浓硝酸与石墨混合冰浴条件下反应96小时后，用稀盐酸洗涤至中性，离心、干燥制备出氧化石墨。还原采用热膨胀法将氧化石墨在高温膨胀炉中进行膨胀；

第二步，将第一步得到的产物加入到分散剂中超声分散，形成均匀分散的石墨烯混合液；

第三步，向第二步得到的混合液中加入苯胺单体，并超声一定时间；

第四步，低温下，向第三步得到的混合液中加入过硫酸铵和去离子水，保持整个体系为100mL；

第五步，将第四步的混合液进行抽滤、洗涤、烘干处理得到石墨烯/聚苯胺球状复合材料；

第六步，将第五步的复合材料浸泡到酸溶液中，分离干燥得到球状石墨烯/聚苯胺复合材料。

本发明一种石墨烯/聚苯胺球状复合材料及其制备方法中，其分散剂为乙醇、乙二醇、多元醇、N,N-二甲基甲酰胺或者他们的混合物。分散剂与氧化石墨的用量之比为100:1～1000:1，苯胺单体与氧化石墨的用量之比为1:1～100:1，苯胺单体与过硫酸铵的质量用量比为1:1～1:5，其中氧化石墨、过硫酸铵，苯胺的用量以克计，分散剂的用量以毫升计。第二步中超声时间为20min。第三步中超声时间为60min。第四步加入过硫酸铵时的温度为-5℃～5℃，低温情况下更有利于导电聚苯胺的均匀分散。第六步的酸是任意的常规无机酸，比如：盐酸，浓度在0.1～3mol/L，浸泡时间为5～24h。

本发明具有的优点：在所述的石墨烯/聚苯胺复合材料中，通过原位聚合方法形成均一的球状结构的复合材料，这种微米或纳米球状复合材料由石墨烯与聚苯胺的片状组成，中间有众多孔洞，大大提高了复合材料的比表面积，缩短了电子的移动路径。之后用酸浸泡使得聚苯胺本身具有导电性。这样，复合材料就兼具高导电率和大的比表面积，并充分利用聚苯胺的氧化还原反应而产生的赝电容，从而相比其它材料具有更好的电化学电容性能。正是由于此复合材料的很好的导电性能和特殊形貌，制备工艺简单，使得它成为超级电容器的一种很好的电极材料。

附图说明

图1为本发明制备石墨烯/聚苯胺球状复合材料的制备方法流程示意图；