[发明专利]应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用作超级电容器电极的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器，一种介于普通电容器和二次电池之间的快速充电/放电的储能器件，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，在军事以及民用上都有着巨大的应用前景。超级电容器电极材料分为两类，一类是具有双电层储能性质的超级电容器材料，这类材料包括活性炭、碳纤维、碳纳米管及石墨烯片等碳材料，这类材料具有10到200F/g的比电容量，充放电循环寿命长，可达10000次以上，但是总体来看比电容量并不高；另一类是具有氧化还原特性的赝电容器材料，既有无机物，如氧化钌、氧化锰、氧化锡、氧化铁等材料，又有导电高分子材料，如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等，这类材料由于具有氧化还原特性，电容量很大，可达500F/g以上的比电容量，但是这类材料的缺点是由于氧化还原反应发生在材料体内，导致材料充放电过程中体积发生剧烈变化，结构出现缺陷，影响电极材料的循环寿命，循环次数只能在3000次左右。因此，很多研究与开发工作集中在将双电层机制的电极材料与氧化还原机制的电极材料复合在一起，制备成杂化材料用于超级电容器，如将无机纳米氧化锰、氧化锡等负载碳纳米管或石墨烯片表面上、或将导电聚合物包覆在碳纳米管或石墨烯片上，制备的电容器材料既具有双电层电容特性、同时具有赝电容特性，比电容量达800F/g以上，同时导电性能好、力学性能优异的碳材料能对氧化还原物质起到很好的支撑作用。

最近，有研究者在石墨烯表面先负载氧化铁纳米颗粒，再在石墨烯/氧化铁杂化物表面上聚合一层聚苯胺，获得的比电容为638F/g，循环次数为5000次电容上(J.Mater.Chem.,2012,22,16844-16850)。但是，由于负载在石墨烯表面的氧化铁纳米粒子被聚苯胺包覆层所覆盖，并不能充分发挥出各组分的电化学作用，导致比电容并不如预期的高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料及其制备方法，提高了石墨烯基电容器的电化学性能。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，它是由石墨烯、聚苯胺、氧化铁复合形成，所述聚苯胺包覆于石墨烯上，所述氧化铁生长在包覆有聚苯胺的石墨烯上。

一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按氧化石墨与苯胺的摩尔比为1:(1～10)，将苯胺单体和盐酸加入到氧化石墨的水溶液，在0～5℃条件下边搅拌边滴加引发剂溶液，滴加完成后继续搅拌2～5小时，将所得固体分离出来，即得到聚苯胺/氧化石墨的复合物；

(2)将聚苯胺/氧化石墨的复合物用还原剂进行还原，然后分离出聚苯胺/石墨烯的复合物；

(3)按照氧化石墨与铁离子的摩尔比为1:(1～20)，将可溶性铁盐与聚苯胺/石墨烯的复合物混合于水中，分散并搅拌1～3小时后，向其中边搅拌边滴加浓氨水，浓氨水中氨与铁离子的摩尔比为(1～8):1，滴加完成后，继续搅拌1～3小时，再静置陈化8～24小时，得到悬浮液；再将所得到的悬浮液在氮气或惰性气体保护下，于温度为120～180℃条件下反应1～6小时，然后将其中的固体分离出来，即得到石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料。

按上述方案，所述氧化石墨的水溶液浓度为0.1mol/L。将所述氧化石墨与水混合后，超声分散30-60分钟，可获得氧化石墨的水溶液。

按上述方案，所述引发剂可以选用(NH₄)₂S₂O₈、K₂Cr₂O₇、KIO₃、FeCl₃、FeCl₄、H₂O₂、Ce(SO₄)₂、MnO₂、BPO(过氧化苯甲酰)，其中(NH₄)₂SO₈由于不含金属离子，氧化能力强，后处理方便，是最常用的氧化剂。本发明中采用引发剂溶液为浓度0.04mol/L的过硫酸铵溶液，过硫酸铵与苯胺的摩尔比为1:(1～2)。