[发明专利]一种石墨烯复合导电材料及制备方法

说明书

本发明提出一种石墨烯复合导电材料及制备方法，包括导电聚合物单体、石墨烯、分散剂、引发体系和去离子水，所述的导电聚合物单体为3，4‑乙烯二氧噻吩，分散剂为聚苯乙烯磺酸钠盐。本发明实现了石墨烯在复合水溶性导电材料中的充分分散，并且通过独特的原位聚合法，可以在聚3，4‑乙烯二氧噻吩与石墨烯之间构造出具有紧密相互作用的微观结构，使得体系中加入少量石墨烯即可以显著提升复合导电墨水的电性能指标，其中电导率与seebeck系数与未加入石墨烯前相比均大幅提升。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯复合导电材料及制备方法，属于水性电极材料或复合材料技术领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)是拥有sp2杂化轨道的二维碳原子晶体，具有蜂巢状的晶体结构，是目前世界上最薄的材料——单原子厚度的材料，它的厚度仅为0.335nm，为头发丝厚度的20万分之一。石墨烯是构成其他碳纳米材料的基本单元：可以卷曲形成一维结构的碳纳米管，也可以折叠成笼状的富勒烯，还可以堆垛形成石墨，石墨烯独特的二维晶体结构赋予了石墨烯优异的性能，其不仅具有优异的电学性能(室温下载流子迁移率可达20000cm²·V^-1·s^-1),导热性好(5000W·m^-1·K^-1)，比表面大等优点，他的杨氏模量(1100Gpa)与断裂强度(125Gpa)也堪称已知材料的最高值。由于以上独特的纳米结构和优异的性能，使得石墨烯可以应用在光电材料、传感和探测器、储能材料及聚合物复合材料等领域。

聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)，是聚噻吩最重要的衍生物之一，它是由3，4-乙烯二氧噻吩单体(EDOT)以化学或者电化学聚合得到。其中与聚苯乙烯磺酸(PSS)形成的PEDOT：PSS水分散体系，具有较高的电导率，良好的稳定性以及优异的成膜性，因此以PEDOT为基材而开发出来的新材料、新工艺以及新产品发展迅猛，PEDOT也成为导电聚合物中应用最广的商品化产品。

研究表明，将石墨烯添加到PEDOT中能增加材料的导电性能。现有技术有两种方式：1、将石墨烯直接通过机械共混加入到合成的PEDOT：PSS水分散液中；2)石墨烯与PEDOT单体原位聚合。第一种方法中，由于石墨烯比表面积大，颗粒尺寸在纳米范围内，因此石墨烯在PEDOT：PSS分散液中容易团聚，导致石墨烯分散均一性差，对材料电性能的提高效果不佳；第二种方法，如张剑荣，孙东，石墨烯/聚(3，4-乙烯二氧噻吩)复合物纳米材料的制备方法：中国，201210003540.6[P]2012-07-18，只是简单提到将石墨烯添加到PEDOT单体中，进行原位聚合，而并未对材料的电性能做详尽研究，而事实上，由于石墨烯相对于PEDOT有更高的载流子迁移率，采用原位聚合时，石墨烯与PEDOT分子链之间无法形成良好的π-π相互作用，对材料电性能的提高效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种显著增强材料电性能的石墨烯复合导电材料及制备方法。

本发明的技术解决方案：一种石墨烯复合导电材料，包括导电聚合物单体、石墨烯、分散剂、引发体系和去离子水，所述的导电聚合物单体为3，4-乙烯二氧噻吩，分散剂为聚苯乙烯磺酸钠盐，引发体系为主引发剂过硫酸盐和辅引发剂三价铁盐组成的双组份引发剂，各组份质量份数如下,

本发明采用3，4-乙烯二氧噻吩作为导电单体，采用市售的3，4-乙烯二氧噻吩单体，要求纯度>99.0％。

本发明采用石墨烯增强材料电性能，一般要求片径10～50μm，厚度小于20nm；随着石墨烯加入量的增加，材料的电学性能有所增加，这是因为石墨烯对构筑上述微观纳米结构起到了模板作用，如果石墨烯加入量增加，势必会促进微观纳米结构的形成以及增强PEDOT与石墨烯之间的相互作用，从而影响材料的最终电性能指标；但同时石墨烯加入量也不能过高，否则会团聚导致性能大幅下降。因此，石墨烯的添加量在40～60(单体100)。