[发明专利]一种三维石墨烯/聚苯胺/四氧化三钴复合材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维石墨烯/聚苯胺/四氧化三钴复合材料及制备方法和在超级电容器电极材料方面的应用，属于能源存储材料制备领域。

背景技术

目前，石墨烯基复合材料在能源存储和能源转化领域的应用已经成为研究的热点并展现出了良好的应用前景。超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、快速充放电等优点，成为一种很有潜力的能源存储器件。根据不同的储能机制，超级电容器可以分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器材料一般以碳材料为主，其具有高的功率密度，但是电容量比较低。然而，导电聚合物和过渡金属氧化物则通常作为赝电容器电极材料，具有高的电容量、能发生快速可逆的氧化还原反应，但是导电性却很差。石墨烯作为一种碳材料，具有比表面积高、导电性好、电化学和机械性能优异等特点，应用于超级电容器中，引起了广泛的关注。由于石墨烯在应用中很容易堆叠和团聚，限制了其在商业的实际应用价值，所以寻找抑制石墨烯团聚进而又能提高电容量的方法显得尤为重要。将导电聚合物及过渡金属氧化物与石墨烯复合已成为研究的热点，一方面抑制了石墨烯的团聚，同时也能提高材料的整体电化学性能。中国发明专利(公开号CN103137342A)“石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法”；中国发明专利(公开号CN102930991A)“电化学一步法制备石墨烯/聚苯胺导电复合材料的方法”；中国发明专利（公开号CN102898832A）“一种石墨烯-聚苯胺复合物纳米片的制备方法”等均公布出了石墨烯基复合材料的制备方法，而且应用于超级电容器都取得了一定的效果。但是其电化学性能远远达不到实际的应用水平。

在石墨烯基复合材料中，将石墨烯制备成气凝胶的形式，能形成三维的石墨烯基复合材料，这样能够提供三维的多孔网格结构，其具有大的比表面积、低的质量密度、优秀的导电性，从而能提高石墨烯复合材料的电化学性能。中国发明专利(公开号CN103413689A)“制备石墨烯气凝胶及石墨烯/金属氧化物气凝胶的方法”公布了一种石墨烯/金属氧化物气复合凝胶的制备方法，应用于超级电容器中取得的了一定的效果。

聚苯胺作为一种导电聚合物是非常有潜力的赝电容器电极材料，其具有大约2000F/g的高理论比容量和很强的电导率，且材料易于合成、形态可控、成本低、环境友好。四氧化三钴则是一种很重要的过渡金属氧化物，其拥有独特的电子性能和电化学性能，且理论比容量高达3560F/g。因此，结合聚苯胺、四氧化三钴和石墨烯三者各自的优点，制备三维的石墨烯/聚苯胺/四氧化三钴复合材料，应用于超级电容器显得很有意义。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种石墨烯/聚苯胺/四氧化三钴复合材料，该复合材料具有三维微米或纳米的多孔结构，应用于超级电容器展现了很好的前景。

本发明的目的之二是提供上述的一种石墨烯/聚苯胺/四氧化三钴复合材料的制备方法。该制备方法可以避免石墨烯和纳米颗粒团聚问题。

本发明的技术方案

一种三维石墨烯/聚苯胺/四氧化三钴复合材料，由石墨烯、聚苯胺和四氧化三钴组成，为三维微米或纳米的多孔结构，其由石墨烯、聚苯胺纳米纤维和四氧化三钴组成，其中四氧化三钴生长在聚苯胺纳米纤维上形成粒径为10-50nm的聚苯胺/四氧化三钴纳米颗粒，该聚苯胺/四氧化三钴纳米颗粒均匀的分布在石墨烯表面上。

上述的一种三维石墨烯/聚苯胺/四氧化三钴复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）、将氧化石墨烯加入到分散剂1中进行超声分散均匀，得到氧化石墨烯分散液；

所述的分散剂1为去离子水或乙醇，其用量按氧化石墨烯：分散剂1为1mg:1-6mL；

上述超声分散，优选为在室温条件下控制超声功率为300-400w进行超声30-90min；

（2）、将苯胺单体加入到分散剂2中进行超声分散均匀，得到苯胺分散液；

所述的分散剂2为十二烷基磺酸钠或十二烷基硫酸钠，其用量按苯胺单体：分散剂2为30-60mL:1mg的比例计算；

上述超声分散，优选为在室温条件下控制超声功率为300-400w进行超声30-90min；

（3）、将步骤（1）所得氧化石墨烯分散液和步骤（2）所得苯胺分散液混合并进行超声分散均匀，得到氧化石墨烯/苯胺混合液；

步骤（1）所得氧化石墨烯分散液和步骤（2）所得苯胺分散液的用量，按步骤（2）所得苯胺分散液中的苯胺单体：步骤（1）所得氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯为1-20mL:1mg的比例计算；