[发明专利]一种三维石墨烯/聚苯胺阵列复合材料的制备方法

说明书

一种三维石墨烯/聚苯胺阵列复合材料的制备方法，以纳米镍粉作为模板通过化学气相沉积法制备出新型三维石墨烯基底，然后对三维石墨烯进行轻微的活化处理，最后利用原位聚合法在三维石墨烯基底上原位生长聚苯胺阵列，得到一种具有高强度、高性能的超级电容器电极材料。本发明制备方法简单，所制备的三维石墨烯具有较高的强度和更小的孔径尺寸，同时电聚苯胺阵列分布均匀，电化学性能相对于单独石墨烯具有显著提升，适用于作为超级电容器电极材料。

技术领域

本发明涉及一种三维石墨烯/聚苯胺阵列复合材料的制备方法。

背景技术

自石墨烯被发现以来，其优异的物理和力学性能，吸引了大量的研究人员从事二维石墨烯及其复合材料在超级电容器领域的研究工作。但是二维石墨烯的团聚问题一直是限制其应用的主要因素。所以为了解决石墨烯团聚导致性能的下降，研究者们将二维石墨烯通过整合组装，制备了一种三维石墨烯材料。这种三维石墨烯不仅继承了二维石墨烯的优异性能，同时避免了石墨烯的团聚。另外，其三维多孔的联通结构增加了材料与电解液的接触面积，可以获得更为优异的电化学性能，已成为一种非常理想的超级电容器电极材料。

但单独将三维石墨烯作为超级电容器电极材料，由于其双电层的储能机制，存储的容量较低，不能满足实际需求。因此将三维石墨烯与赝电容材料(过渡金属氧化物和导电聚合物)结合，同时利用两种材料的性能优势，成为目前提高三维石墨烯电化学性能的主要手段。聚苯胺是一种应用非常广泛的超级电容器电极材料，它具有导电性能高，理论比容量高、合成方法简单和价格低廉等优点。将其与三维石墨烯结合制备出石墨烯/聚苯胺复合材料以成为目前超级电容器电极材料研究的热点。(Wang S,Ma L,Gan M,et al.Free-Standing 3D Graphene/Polyaniline Composite Film Electrodes for High-Performance Supercapacitors.Journal of Power Sources,2015,299:347-355.)Wang等以聚乙烯微球为模板，氧化石墨烯为前驱体制备了PANI NWAs/三维石墨烯电极，在0.5A/g的电流密度下，其比容量为740F/g。并且在10A/g的电流密度下，循环1000次后，其容量保留率可达到87％。这一方面是因为石墨烯为电子的快速传输提供了通道，另一方面是因为聚苯胺有规则的排列增加了材料的比表面积，从而有效的提高了材料的电化学性能。(Luo J,Zhong W,Zou Y,et al.Preparation of Morphology-Controllable Polyaniline andPolyaniline/Graphene Hydrogels for High Performance Binder-FreeSupercapacitor Electrodes.Journal of Power Sources,2016,319:73-81.)Luo等通过水热和聚合过程制备了一种聚苯胺纳米棒/氮沉积石墨烯水凝胶，这种多孔联通结构和快速的电子传输使其表现出了较高的比容量(610F/g，1A/g)。

综述所述，目前大部分的研究都是以GO为前驱体来制备三维石墨烯，并与PANI复合。虽然经过还原处理，石墨烯的导电性能还是会被削弱，其性能还有提升的空间。因此我们采用以泡沫镍作为模板，化学气相沉积法制备的三维石墨烯作为基底，并将其与聚苯胺复合制备出复合材料，应用于超级电容器的研究(公告号201710163757.6的发明专利)。但是，由于制备的三维石墨烯完全继承了泡沫镍的结构，其较大的孔径尺寸(100～300μm)，使得三维石墨烯的强度较差，非常容易发生塌陷和结构的破坏。所以在制备复合材料时需要严格控制实验过程。另外在组装过程中，较差的强度也会影响电极材料电化学性能。因此，制备一种强度更高，性能更优异的三维石墨烯，已成为目前三维石墨烯在超级电容器领域研究的一个新方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三维石墨烯/聚苯胺阵列复合材料的制备方法。

本发明的一种三维石墨烯/聚苯胺阵列复合材料的制备方法是按以下步骤进行的：