[发明专利]一种石墨烯/苯二胺柔性复合膜电极的制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯/苯二胺柔性复合膜电极的制备方法，步骤如下：1)按照改进的Hummers法，制备氧化石墨烯水溶液；2)在超声条件下，按照氧化石墨烯、尿素、苯二胺质量比1:1‑8:1‑3.5，将氧化石墨烯水溶液与尿素混匀；取苯二胺水溶液慢慢滴入上述混合溶液中，使体系中氧化石墨烯水溶液的浓度达到2‑7mg/mL；并倒入容器中干燥，得到氧化石墨烯/苯二胺/尿素复合膜；3)将上述复合膜在HI中浸泡，洗涤，低温加热处理，得到石墨烯/苯二胺柔性复合膜电极。本发明先将尿素与氧化石墨烯超声混匀，有效避免苯二胺分子短时间内诱导氧化石墨烯凝固导致其发生团聚、堆叠，可有效增强该柔性复合膜电极电容性能。

技术领域

本发明涉及膜电极材料的制备，特别涉及一种石墨烯/苯二胺柔性复合膜电极的制备方法。

背景技术

20世纪70年代石油危机发生以后，能源短缺已成为人类社会面临的巨大挑战，解决能源的高效利用和开发新型清洁能源成为当今世界普遍关注的重大问题。近年来，高效储能器件引起科研人员的广泛关注。电化学电容器，也叫超级电容器，具有储能效率高、使用寿命长、环境友好、安全可靠等优点,已成为备受关注的新型储能原件。特别是，随着消费电子产品正向着小型化、柔性可折叠及可穿戴的方向发展，开发柔性的高功率密度和高能量密度的电化学电容器已发展成储能设备研究的重要方向。在组成电化学电容器的各部件中，电极材料对柔性电化学电容器的性能有着至关重要的影响。石墨烯是单层碳原子以sp²杂化形成的二维晶体，具有较好的机械和导热性能，并且具有高比表面积(理论值达2600m²g^-1)、高载流子迁移率(2×l0⁵cm²V^-1s^-1)和良好的柔韧性[Solid State Commm.,2008,146,351-355；Science.,2008,321,385-388；Nano Lett.,2008,8,902-907；Chem.Mater.,2008,20,6792-6797]，因而被认为是理想的柔性超级电容器电极材料.

目前,抽滤法、界面组装法、冲压石墨烯气凝胶或水凝胶等方法制备柔性石墨烯膜电极材料[Nano Lett.,2012,12,1806-1812；Adv.Mater.,2009,21,3007-3011；Adv.Mater.,2012,24,1089-1094；ACS Nano,2013,7,4042-4049；Adv.Mater.,2013,25,3985-3992.]，但由于石墨烯片层间存在强的范德华力，导致石墨烯发生不可逆的堆叠、团聚，因此，上述方法制备的柔性石墨烯膜电极材料有效比表面积得不到充分利用，导致其电容性能远远低于理论值。

通过在石墨烯片层间引入赝电容材料，例如苯二胺分子，防止石墨烯片层堆叠的同时增加赝电容以提高材料储能性能成为研究人员普遍采用的办法[Journal ofMaterials Chemistry,2012,22,18775-18783；J.Mater.Chem.A,2013,1,3454-3462；NanoEnergy 2015,17,160-170；Chemistry of Materials 2016,28,9110-9121.]。虽然苯二胺分子的引入石墨烯，在低电流密度下使复合材料的比电容明显增加，然而苯二胺分子功能化的石墨烯复合电极材料电容性能远远低于理论值。主要原因是由于少量的苯二胺分子与石墨烯的前躯体氧化石墨烯溶液接触，在较短的时间内，很容易引起氧化石墨烯凝固，导致所制备得到的石墨烯发生团聚，形成密堆积的结构，一方面影响了石墨烯有效比表面积的充分利用，使得电解质离子在复合膜电极材料内部孔道中的传输受扩散动力学限制，另一方面影响了苯二胺与石墨烯的有效复合，使得制备得到的苯二胺复合柔性复合膜电极电容性能原因低于理论值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供的一种石墨烯/苯二胺柔性复合膜电极的制备方法，该方法工艺简单，实验条件温和，成本低，可批量制备；该方法制备得到的柔性复合膜电极作为超级电容器电极材料，其电容性能明显提高。