[发明专利]聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料电极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源产品领域，具体涉及一种聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料电极和该复合材料电极的制备方法以及该复合材料电极在超级电容器中的应用。

背景技术

随着环境污染的加剧和能源危机的日趋严重，人们对新型移动电源的发展需求变得越来越迫切，超级电容器高功率、快速可充且循环寿命长的特点符合人类对新型能源的需求。超级电容器是一种既具有传统电容器般高功率密度，又具有化学电源类似的能量密度的新型储能器件，按照其储能原理通常分为赝电容超级电容器、双电层超级电容器和混合型超级电容器。赝电容超级电容器主要是利用在电极表面或表面附近发生快速且可逆的氧化还原反应实现储能,赝电容超级电容器的电极材料主要为过渡金属氧化物和导电聚合物。双电层超级电容器是利用正、负离子在两个碳电极和电解液之间的界面上分别吸附，造成两个电极之间的电势差实现储能，双电层超级电容器通常采用具有高比表面的碳基活性材料作为电极材料。混合型超级电容器为一极采用电池材料通过电化学反应来储存和转化能量，另一极则通过双电层来储存能量，具有不对称的电极。当前研究热点是其电极材料，包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物。

近年来，用石墨烯作为电极材料的超级电容器也屡见报道，然而由于碳材料的存储机理所限，基于石墨烯纳米材料的超级电容器的电容性能并不令人满意，通常只有100～200F/g。另一方面，虽然导电聚合物材料聚苯胺虽具有比碳材料更高的比电容值，但普通聚苯胺材料的电导率仍较低，且循环稳定性并不理想,这也就直接制约了其现实应用。因此，为了规避不同材料的缺点而最终得到具有高比电容且稳定的超级电容器，需要开发一种新的具有较好的协同效应的复合材料电极。

此外，传统的水系超级电容器，由于其电压低的缺陷，使用条件受到了极大的限制，相比于水系超级电容器，应用有机电解液的超级电容器具有更高的工作电压，受到了更广泛的关注，但这类超级电容器中有机电解液的应用，也带来了相关的安全性问题，即在非正常状态下(如冲撞、挤压、异常放电等极端环境)，可能会发生燃烧等不安全行为。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料电极，该复合材料电极兼备优异的循环性能和电容性能。

本发明的目的还在于提供一种包含聚苯胺纳米管阵列的复合材料电极的制备方法和该复合材料电极在超级电容器中的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料电极，所述复合材料电极包括聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料和导电基底，复合材料包括聚苯胺纳米管阵列和石墨烯，石墨烯掺杂在聚苯胺纳米管阵列中，聚苯胺纳米管的直径为150nm～300nm，聚苯胺纳米管的管间距为300nm～400nm；复合材料涂覆于导电基底之上形成聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料电极。

所述石墨烯的含量为5wt％～20wt％，聚苯胺纳米管阵列的含量为80wt％～95wt％。

所述聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料电极的制备方法包括如下步骤：

(1)制备氧化石墨烯掺杂聚苯胺纳米管阵列：将氧化石墨烯均匀分散在苯胺的硫酸溶液中，将AAO模版浸入上述溶液，减压抽真空，超声震荡；将过硫酸铵的硫酸溶液滴加入苯胺的硫酸溶液中，-20～20℃恒温水浴1～24h，得到氧化石墨烯掺杂聚苯胺/AAO纳米复合结构；将氧化石墨烯掺杂聚苯胺/AAO纳米复合结构浸入氢氧化钠溶液中，50～70℃加热10～60min，取出用去离子水洗净，干燥，制得氧化石墨烯掺杂聚苯胺纳米管阵列；

(2)制备聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料：将步骤(1)中制备的氧化石墨烯掺杂聚苯胺纳米管阵列加入还原剂，搅拌均匀后得到混合物；将混合物加热至80～95℃，恒温搅拌6～24h；反应结束后，过滤反应产物，得到不溶物，洗涤干燥，制得聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料；

(3)制备聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料电极：将步骤(2)中制备的聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料、导电剂、去离子水或N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合成为浆料；聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料和导电剂的质量比为80～90:10～20，浆料的粘度控制在600～7000厘泊，将浆料涂覆于导电基底之上，经烘干和辊压制得聚苯胺纳米管阵列/石墨烯复合材料电极。

进一步地，所述步骤(1)中，氧化石墨烯与苯胺的质量比为1:4～19；苯胺与过硫酸铵的摩尔比1:0.1～10。