[发明专利]聚吡咯纳米线阵列/石墨烯片/锰氧化物复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种聚吡咯纳米线阵列/石墨烯片/锰氧化物复合材料的制备方法。以氧化石墨烯三维结构为骨架，利用吡咯链段上带正电的氮和氧化石墨烯表面上的环氧键之间的静电张力在氧化石墨烯表面生长聚吡咯纳米线阵列，加入高锰酸钾溶液和过量的硫酸锰溶液到聚吡咯纳米线/氧化石墨烯混合液中，生成的二氧化锰沉积在氧化石墨烯片上面；同时，过量的带正电的Mn(Ⅱ)离子进入到负电性的氧化石墨烯片层间，并与氧化石墨烯发生氧化还原反应而生成Mn(Ⅲ)离子，同时将氧化石墨烯还原为石墨烯，然后通过水热法生成的纳米四氧化三锰颗粒沉积在还原后的石墨烯层之间，最终制备出聚吡咯纳米线阵列/石墨烯片/锰氧化物复合材料。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，特别涉及一种以界面聚合法和水热法制备超级电容器用聚吡咯纳米线阵列/石墨烯片/锰氧化物复合材料的方法。

背景技术

超级电容器由于具有高能量密度和功率密度以及优秀的循环性能等而作为快速和高功率能量储存系统领域的首要选择。超级电容器中的电极材料对超级电容器的性能起到至关重要的作用，因此，实现超级电容器广泛应用的重中之重是制备和开发高性能的电极材料。

导电聚合物、过渡金属氧化物和碳材料是超级电容器电极材料常用的三种材料。利用这三种材料的优势特征而克服单一材料存在的不足制备复合电极材料是目前超级电容器电极材料研究的热点之一。Sivakkumar等采用原位化学法合成碳纳米管/聚吡咯/二氧化锰三元复合材料，该材料具有优秀的循环性能（S.R. Sivakkumar, et al. Performanceevaluation of CNT/polypyrrole/MnO2 composite electrodes for electrochemicalcapacitors[J]. Electrochim. Acta, 2007, 52 (25): 7377-7385)。Wang等用原位界面氧化还原法制备了层状二氧化锰/导电聚吡咯包覆碳纤维复合材料，由于该材料中电子导电和组分之间完整的结构而具有良好的倍率性能和稳定的循环性能（J.G. Wang, et al.Rational synthesis of MnO2/conducting polypyrrole@carbon nanofiber triaxialnano-cables for high-performance supercapacitors[J]. J. Mater. Chem., 2012,22(33): 16943-16949.）。Tao等采用原位生长法合成的聚吡咯-二氧化锰-碳纤维复合材料在能源领域具有重要的应用前景，为下一代能源储存器件的设计提供了一种新的方法（J.Tao, et al. Supercapacitors based on polypyrrole-MnO2-carbon fiber hybridstructure[J]. Nature, 2013, 3(2286): 1-7.）。Li等研究发现合成的比碳纳米管-二氧化锰-聚吡咯复合材料具有更高的比电容，为研究聚吡咯-碳复合材料的结构与性能之间的关系提供了重要的实验依据（P. Li, et al. Core-double-shell, carbon nanotube@polypyrrole@MnO2 sponge as freestanding, compressible supercapacitorelectrode[J] ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (7): 5228-5234.）。

因此采用简单的合成技术制备高性能超级电容器电极材料对于其在电化学储能领域的应用具有重大的意义。本发明以三维氧化石墨烯、吡咯、硫酸锰和高锰酸钾为原料，采用界面聚合法和水热法制备聚吡咯纳米线阵列/石墨烯片/锰氧化物复合材料。所得复合材料具有规整的空间排列、良好的分散性、高能量密度和功率密度、优秀的循环性能，是一种理想的超级电容器电极材料，尤其是适合工业化生产。

发明内容