[发明专利]石墨烯/氧化镍-聚(苯胺-间氨基苯酚)复合材料的合成及应用于超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及用水热法和化学氧化法合成石墨烯/氧化镍-聚(苯胺-间氨基苯酚)复合材料及其应用于超级电容器研究，属于电化学和材料合成领域。

技术背景

超级电容器优良的电化学性能已引起了国内外研究者们的广泛关注，并且在电极材料等方面，也已经进行了较为广泛的研究，包括多孔炭材料、金属氧化物材料以及导电聚合物材料。但是为了寻找性能更优异的电极材料，人们已经不满足于用单一种类的材料来作电极，而是将各种材料进行复合，或是在更广泛的领域寻求高性能的电极材料，来进一步提高超级电容器的比容量，能量密度和功率密度，为储能装置的应用奠定良好的基础。

众所周知，氧化钌是高功率、高能量密度的超级电容器电极材料，但因其价格昂贵、资源匮乏，所用电解质对环境有污染，大大限制了它的商业开发与应用。氧化镍等氧化物电极材料有着与RuO₂·xH₂O相似的电荷存储性能，且价格便宜，因此受到研究人员的关注。但氧化镍是一种半导体，所以其导电性同其他材料相比要差许多，这也就限制了电子在氧化镍材料颗粒之间的传播速度，所以提高氧化镍的导电性和比表面积是提高材料比电容的关键因素。而提高氧化镍比表面积的方法即合成颗粒更小的纳米氧化镍，但纳米材料容易团聚，从而限制电容的发挥。

近年来，研究人员已探索出多种合成纳米氧化镍的方法，本发明中采用水热法合成了石墨烯/氧化镍复合材料，在这种复合材料中石墨烯作为导电骨架增加氧化镍颗粒之间的导电性，同时石墨烯还有限域作用，防止纳米氧化镍颗粒的团聚，增大氧化镍的比表面积。由于氧化镍颗粒的存在，也阻止了单层石墨烯的进一步石墨化堆叠，提高了复合材料的比表面积。为了更进一步提升材料本身的比电容，因此把聚(苯胺-间氨基苯酚)与石墨烯/氧化镍材料进行复合，并进行各类表征，最终用于超级电容器电极材料。

发明内容

本发明的目的在于用水热法合成石墨烯/氧化镍，用化学氧化法在含有石墨烯/氧化镍的苯胺、间氨基苯酚溶液中合成石墨烯/氧化镍-聚(苯胺-间氨基苯酚)复合材料，并用于超级电容器的研究。

本发明所述水热法合成石墨烯/氧化镍，化学氧化法在含有石墨烯/氧化镍的苯胺、间氨基苯酚溶液中合成石墨烯/氧化镍-聚(苯胺-间氨基苯酚)复合材料并用于超级电容器的研究，包括以下步骤：

a、制备石墨烯/氧化镍：称取一定量的六水合硝酸镍和尿素溶解至去离子水中，然后加入30mL不同浓度的氧化石墨烯分散液中(0～4mg/mL)搅拌0～2h，将混合液转入反应釜中。将反应釜置于马弗炉中升温至130～150℃并恒温保持14～18h，自然降温至室温。乙醇和水重复洗涤2～4次，干燥。置于管式炉中升温至350～450℃并恒温3～5h，得到不同配比的石墨烯/氧化镍复合材料，完全磨细。分别标记为1^#、2^#、3^#、4^#、5^#；

b、制备石墨烯/氧化镍-聚(苯胺-间氨基苯酚)复合材料:在0.5～1.5mol/L的硫酸溶液(20～40mL)中分别加入30～150mg的4^#石墨烯/氧化镍，超声震荡均匀后移入苯胺和间-氨基苯酚并搅拌均匀，之后以过硫酸铵(30mL0.2mol/L)作为氧化剂，匀速缓慢滴入混合溶液中，冰浴(0～5℃)反应10～14h。然后抽滤，用乙醇和去离子水洗涤若干次，直至滤液为无色。最后将制得的复合材料放入干燥箱中干燥。100～140mg的1^#、2^#、3^#、5^#样品与聚(苯胺-间氨基苯酚)的复合材料以相同的步骤合成；

c、制备石墨烯/氧化镍-聚(苯胺-间氨基苯酚)复合材料电极:称取30～50mg复合材料于1～3mL去离子水中，充分超声振荡，取8～12μL该分散液滴加到玻碳电极表面上，室温下晾干之后，在材料表面滴加8～12μLNafion溶液，即得到超级电容器工作电极。

进一步，步骤a中尿素和六水合硝酸镍的摩尔比为4:1。

进一步，步骤a中氧化石墨烯分散液的浓度分别为0mg/mL，1mg/mL，2mg/mL，3mg/mL，4mg/mL。

进一步，步骤a中反应釜温度140℃，反应时间16h，管式炉温度400℃，反应时间4h。

进一步，步骤b中4^#石墨烯/氧化镍的质量分别为30mg、60mg、90mg、120mg、150mg。