[发明专利]一种柔性复合薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三明治结构(石墨烯‑聚吡咯‑纳米多孔金)的柔性复合薄膜材料及其制备方法。上述薄膜包括一个复合薄膜材料的结构单元；所述复合薄膜材料的结构单元包括由下而上顺次层叠排列的纳米多孔金薄膜层、聚吡咯层、嵌入到聚吡咯层中的纳米金颗粒以及一个石墨烯层。其制备方法为：步骤一：制备纳米多孔金薄膜；步骤二：制备聚吡咯/纳米多孔金复合薄膜；步骤三：制备嵌入纳米金颗粒的纳米多孔金薄膜；步骤四：制备石墨烯薄膜。本发明制备的三明治结构(石墨烯‑聚吡咯‑纳米多孔金)的柔性复合薄膜材料具有较大的比表面积和较高的电导率；使用导电性能良好，比表面积较大的石墨烯与吡咯进行复合的方法明显提高了聚吡咯的电导率。

技术领域

本发明涉及金属薄膜材料的制备技术领域，特别是涉及一种柔性复合薄膜材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器体系中，电极材料是决定性能好坏的关键。而聚吡咯由于其良好的电化学性能和物理性能使其在储能设备中具有良好的发展前景。但是，聚吡咯在合成过程中容易团聚，造成比表面积下降，并且其较低的离子导电率(102S/cm)导致其充放电过程中具有较大内阻，不具备优良的充放电倍率性能，同时，导电聚合物普遍存在的循环率低的问题也制约了聚吡咯在超级电容器中的应用。为了解决这个问题，选择导电性能良好，比表面积较大的碳纳米管、石墨烯等作为基体材料与聚吡咯进行复合，在导电基体的作用下，导电率可以增加。

石墨烯是一种碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的二维炭质新材料，厚度仅为0.335纳米，这种材料由于具备优异的力、热、光、电等性能，在催化、生物、电子等领域具有广阔的应用前景。与机械剥离法制备的无缺陷石墨烯相比，含有纳米孔结构的石墨烯薄膜材料具有比表面积高、孔径可调、透明度高等特点，在许多领域具有潜在应用价值。如Chen等人使用纳米多孔镍作为模板制备具有三维结构的纳米管状石墨烯，再将其与聚吡咯复合，通过盐酸腐蚀去除镍模板后，最终得到了纳米管状石墨烯-聚吡咯复合物(nt-GPPy)。该复合物循环13200次后可以达到75％的初始电容，其循环稳定性能在目前聚合物储能材料中名列前茅，但是，仍然没有达到商用的标准。

在以前的工作中，我们制造了嵌入纳米金颗粒的纳米多孔金薄膜，纳米多孔金的存在可以明显提高电位窗口，进一步提高聚吡咯的电化学性能。其厚度在100nm左右，不仅是小型超级电容器电极材料的极佳选择，成本也相对低廉。而且，聚吡咯可以作为碳源，嵌入的纳米金颗粒可以作为石墨烯生长的催化剂，得到具有三明治结构的复合薄膜材料。该复合薄膜材料具有较大比表面积，电导率也很高。同时也能够解决由于聚吡咯量的增加，电极导电性下降，离子导电率和电子导电率背离，造成的电化学性能下降的问题。尽管如此，嵌入金属颗粒后的聚吡咯-多孔金薄膜依然具有三维孔洞结构，而非光滑的平面，因此在保证聚吡咯电极材料优异的物理机械性能的情况下，如何获得高质量、高性能的石墨烯，并使其沿多孔金的骨架生长成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种三明治结构(石墨烯-聚吡咯-纳米多孔金)的柔性复合薄膜及其制备方法，本发明将石墨烯与聚吡咯-纳米多孔金薄膜复合，形成一种三明治结构(石墨烯-聚吡咯-纳米多孔金)的柔性复合薄膜，该复合薄膜比表面积大，电导率也很高，提高了聚吡咯储能材料电化学性能，同时，由于纳米多孔金的存在能够保证聚吡咯电极材料的物理机械性能。

虽然使用导电性能良好、比表面积较大的基体材料与聚吡咯进行复合可以明显提高聚吡咯的电导率，但是，因为基体材料在制备石墨烯的过程中易碎，不能很好地保证其完整性，同时在去除基体材料的过程中也会造成材料结构的破坏，而仅仅把多孔金属作为石墨烯生长的模板也浪费了其优异的电导率，为了改善这个问题，本方法以纳米多孔金作为模板与聚吡咯复合，使纳米多孔金不仅作为模板，而且作为活性材料，在保证高电导率的前提下提高了材料的物理机械性能，与纳米多孔金复合的聚吡咯可以作为生长石墨烯的碳源，嵌入的纳米金颗粒作为生长石墨烯催化剂，该方法简化了工艺过程，降低了成本，而且可以获得高强度高性能的超薄柔性储能。