[发明专利]一种多孔石墨烯/聚苯胺复合膜及其制备方法与应用

说明书

本发明属于石墨烯基超级电容器领域，公开了一种多孔石墨烯/聚苯胺膜及其制备方法与应用。该方法通过结合使用刻蚀剂过氧化氢和还原剂氢碘酸，对氧化石墨烯进行面内碳空位缺陷改性和还原处理，使其具有优异的离子传输和电荷转移能力，在此基础上通过循环伏安法电聚合苯胺单体，快速制备多孔石墨烯/聚苯胺复合电极材料。所得多孔石墨烯/聚苯胺膜在使用三电极测试其在0.5A/g的电流密度下的比质量电容最高达500F/g，在10A/g的电流密度下循环1000次，其电容保持率为92％。本发明所采用的电聚合法快速聚合制备聚苯胺复合材料，聚合度可控，复合模厚度可调，且具有三明治夹层结构，提高了复合电极的电化学性能。

技术领域

本发明属于石墨烯基超级电容器领域，具体涉及一种多孔石墨烯/聚苯胺复合膜及其制备方法与应用。

背景技术

石墨烯是一种由六元碳环结构组成的二维片层材料，具有优异的导电导热和机械性能，可作为优异的电极储能材料。石墨烯直接作为超级电容器电极材料，表现出了理想的双电层电容特性和优异的循环稳定性。尽管如此，其实验得到的比质量电容值远低于理论值，限制了其实际应用进程。无规堆砌的石墨烯片使得其片层间距坍塌，增强了其片层之间范德华力，减小了开孔率。这一片层聚集，也限制了层间电解质的渗透，不利于电解液离子的渗透运输和电荷转移，有效降低了其实际比质量电容值。目前，在制备石墨烯电极材料多采用模板法和成孔法，试图构建三维石墨烯结构，减少其片层的堆叠。但仍存在堆叠不可控，离子渗透能力不强，电化学性能提高不明显且制备工艺复杂，模板和成孔物残留对电极的导电性也有所影响。

发明内容

为了克服现有技术中的缺点和不足，本发明的首要目的是提供一种多孔石墨烯/聚苯胺复合膜的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的多孔石墨烯/聚苯胺复合膜。其具有三明治夹层结构和优异的离子传输和电荷转移能力，同时具有高的比质量电容。

本发明再一目的在于提供上述多孔石墨烯/聚苯胺复合膜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，

一种多孔石墨烯/聚苯胺复合膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液、过氧化氢和氢碘酸混合均匀，然后回流反应，将所得分散液抽滤，得到均一的多孔石墨烯柔性膜；

(2)将步骤(1)所得的多孔石墨烯柔性膜作为工作电极，苯胺溶液作为电解液，与对电极和参比电极组成三电极体系，采用循环伏安法进行电聚合苯胺，得到三明治夹层结构多孔石墨烯/聚苯胺复合膜。

步骤(1)所述氧化石墨烯分散液的制备方法为首先通过制备hummers法制备氧化石墨烯，然后经冷冻干燥氧化石墨烯粉末，再将粉末超声分散在去离子水中，即得到氧化石墨烯分散液。

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0.1～1mg/mL。

步骤(1)所述过氧化氢的质量浓度为15～35％，优选为30％；所述氢碘酸的质量浓度为40％～60％，优选为55％。

步骤(1)所述氧化石墨烯分散液、过氧化氢和氢碘酸的体积比为10：(0.5～10)：(0.5～10)，优选为10：1：2。

步骤(1)所述回流反应为在80～130℃下回流1～10小时；优选为在100℃下回流2～4小时。

步骤(1)所述抽滤为减压抽滤，具体为将所得分散液置入布氏漏斗，采用微孔滤膜进行减压抽滤，得到均一的柔性膜；优选地，所述微孔滤膜为孔径为0.22μm的聚四氟乙烯微孔滤膜。

步骤(2)所述对电极为铂片电极或碳对电极中的一种，优选为铂片电极。

步骤(2)所述参比电极为甘汞电极、硫酸铜电极或氢电极中的一种，优选为甘汞电极。