[发明专利]一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途，该材料包含：带状纳米石墨烯，在该带状纳米石墨烯表面形成的聚吡咯层，在聚吡咯层表面吸附的磺酸盐，及与磺酸根离子静电吸附形成的氧化钌层。其中，氧化钌与形成聚吡咯层的带状纳米石墨烯材料的质量比为(5～11)：1；磺酸盐包含：聚苯乙烯磺酸钠。本发明的材料提升了整体比电容值，更利用氧化钌的良好结构稳定性避免聚吡咯体积的过度膨胀与收缩，使氧化钌与带状纳米石墨烯/聚吡咯之间产生良好的加成效应，提高复合材料的循环使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种复合材料，具体涉及一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

为了解决由于日益增长的能源消耗带来的能源短缺和环境污染问题，研究者们致力于开发可持续的绿色再生能源及相关储能装置。电化学电容器又称超级电容器或超级电容器，是目前广泛研究的储能电化学装置之一，其具有充放电速率快、循环寿命长和安全性高的优点。然而，超级电容器大规模实际应用仍然受到其较低的能量密度的限制，解决超级电容器能量密度问题的关键是开发出具有大容量、高倍率和良好循环性能的电极材料。

纳米结构材料因其新颖的电子、光学、磁性和催化性能而备受关注。近年来，从能量和功率密度的角度来看，纳米结构技术也被用作提高储能装置电化学性能的有力手段。

多孔碳质材料由于其成本低、导电性好、比表面积高等优点，成为双电层电容器的理想电极。同时，含水Ruo₂作为“赝电容”的电极材料被广泛研究，因为它在含水电解质中具有高电容和容量的特性，钌基材料的显著缺点是成本高以及在含水量高环境下的电子传导率低，可能由于缺乏电子传导路径而导致功率密度降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途，该材料解决了现有含水Ruo₂电极材料功率密度降低的问题，能够提高功率密度和电容保持率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种带状纳米石墨烯三元复合材料，该材料包含：带状纳米石墨烯，在该带状纳米石墨烯表面形成的聚吡咯层，在聚吡咯层表面吸附的磺酸盐，及与磺酸根离子静电吸附形成的氧化钌层。

其中，所述氧化钌与形成聚吡咯层的带状纳米石墨烯材料的质量比为(5～11)：1；所述磺酸盐包含：聚苯乙烯磺酸钠。

优选地，所述聚吡咯层通过原位聚合法获得。

优选地，所述聚吡咯层，是通过将所述带状纳米石墨烯于盐酸水溶液中，超声后在0～5℃下加入吡咯反应，待反应结束，加入过硫酸铵或氯化铁水溶液在0～5℃下聚合反应获得的。

优选地，所述磺酸盐的浓度为2mg/mL，带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料的质量与磺酸盐的体积之比为5mg：1L。

本发明还提供了一种所述的带状纳米石墨烯三元复合材料的制备方法，该制备方法包含：

(1)将带状纳米石墨烯于盐酸水溶液中，超声振动后在0～5℃下加入吡咯反应，待反应结束，加入过硫酸铵或氯化铁水溶液在0～5℃下聚合反应，获得带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料；

(2)将步骤(1)制备的带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料于磺酸盐水溶液中，使带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料表面吸附磺酸盐，加入氧化钌，搅拌，使钌离子与磺酸根离子静电吸附，以水热法反应，形成带状纳米石墨烯/聚吡咯/氧化钌三元复合材料，对该复合材料退火。

在步骤(2)中，所述带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料与氧化钌的质量比为1：(5～11)；所述磺酸盐包含：聚苯乙烯磺酸钠。聚苯乙烯磺酸钠与其他的磺酸系物相比，具有毒性极低、水溶性程度较高、阴离子电解活化好、凝絮力强等特点，因此选用聚苯乙烯磺酸钠，聚苯乙烯磺酸钠起到电解活化并提供负离子作用。