[发明专利]一种氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺气凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明属于电极材料领域，具体公开了一种氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺气凝胶及其制备方法与应用。该方法通过使用尿素和硫脲复配作为氮硫共掺杂剂，采用一步水热法得到了氮硫共掺杂石墨烯水凝胶，再将共掺杂石墨烯水凝胶放入苯胺溶液中原位聚合得到氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺水凝胶，最后通过冷冻干燥得到复合气凝胶。所得复合气凝胶最优的掺杂百分比：N掺杂量为3.2％，S掺杂量为1.1％，表现出优异的协同效应。在0.5A/g的电流密度下，复合膜的比质量电容高达450F/g，在高电流密度10A/g下循环1000次，其电容保持率为94％，拥有良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺气凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

超级电容器作为一种电化学储能器件，它具有较高的功率和能量密度，快速的充放电性能和长时间的循环寿命，在航空航天，生物医药，电子工业等方面具有巨大的潜力。而超级电容器构件中，电极材料至关重要，常用的就是碳材料包括碳纳米管，石墨烯，碳纤维，多孔碳，其中石墨烯具有优异的导电率和高的比表面积，作为电极材料具有重要的应用价值。由于石墨烯自身完美的六元碳环共轭结构，只能作为双电层电容。为进一步提高其电化学活性，改变电子结构成为了研究者的研究方向。杂原子掺杂是一个很好的策略。杂原子包括氮，硫，磷，硼等的原子半径与碳原子相近，借助外力可以进行掺杂在碳环中，从而改变碳原子的电子云分布和电荷密度，改变了其物理和化学结构，有利于提高电化学性能。但目前存在杂原子掺杂量低，性能提高不明显，且共掺杂结构不可控等问题。

发明内容

为了克服现有技术中的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺气凝胶的制备方法，该方法是通过采用水热法氮硫共掺杂石墨烯的方式改性石墨烯，在此基础上通过原位聚合苯胺单体，制备氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺电极材料。

本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺气凝胶。

本发明再一目的在于提供上述氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺气凝胶作为超级电容器电极材料的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液、尿素和硫脲混合均匀得到反应液，然后反应得到氮硫共掺杂石墨烯水凝胶；

(2)将步骤(1)得到的氮硫共掺杂石墨烯水凝胶置入苯胺溶液中浸泡，然后加入氧化剂进行聚合反应，反应完成后得到复合物，将复合物纯化后冷冻干燥，得到氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺气凝胶。

步骤(1)所述氧化石墨烯分散液的制备方法为，通过制备hummers法制备氧化石墨烯，经冷冻干燥得到氧化石墨烯粉末，然后将氧化石墨烯粉末超声分散在水中即得到氧化石墨烯分散液。

步骤(1)所述混合均匀为通过超声1～2h进行混合。

步骤(1)所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的质量浓度为1～10mg/mL。

步骤(1)所述氧化石墨烯、尿素和硫脲质量比为2：1：1～10：1：10；优选为10：1：7。

步骤(1)所述反应为在160～200℃下反应6～48小时，优选为12小时。

步骤(2)所述苯胺溶液的摩尔浓度为0.05～1mol/L；

步骤(2)所述浸泡时间为0.5～6小时，更优选为在冰浴中浸泡2小时；

步骤(2)所述氧化剂为过硫酸铵和过硫酸钾中的至少一种。

步骤(2)所述氧化剂与苯胺的质量比为1：1～5：1；反应时间优选为2：1。

步骤(2)所述聚合反应为在0～10℃下反应6～48小时，更优选为在5℃下反应12小时；