[发明专利]一种石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶的制备方法，属于石墨烯气凝胶领域，具体为：配置一定浓度的氧化石墨烯溶液，对其进行修饰引入腈基；然后将腈基修饰的氧化石墨烯溶液和聚丙烯腈纳米纤维分散液混合、超声分散；将腈基修饰的氧化石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维混合溶液经冷冻干燥、预氧化、水热还原得石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合水凝胶；将石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合水凝胶经冷冻干燥制备石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶。本发明制备过程无毒，绿色环保，所得气凝胶具有比表面积大、回弹性好和结构稳定等优点，可用于制备超级电容器或电池的电极材料。

技术领域

本发明属于石墨烯气凝胶技术领域，具体涉及一种石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶的制备方法及其应用。

背景技术

气凝胶具有孔隙率高、比表面积大、导电性好等优点，被广泛用于吸附材料、储氢材料、隔热材料等，尤其是其孔径分布可通过物理或化学法有效调控，在电极材料领域具有潜在应用价值。

石墨烯是碳原子通过sp²杂化轨道构成的呈六角型蜂巢晶格形状的单层片状结构的二维材料，具有完美的二维晶体结构。石墨烯具有导电性好、电荷传输能力强、比表面积大、比强度高、性能稳定等优异的物理化学性能，广泛应用于储能、催化、通信、功能性复合材料等领域。尤其是作为电极材料，在提高比能量和延长使用寿命方面发挥不可替代的作用。实际应用时，石墨烯容易团聚，使其比表面积很难达到理想水平，导致比电容低。因此，可制备三维立体结构的石墨烯气凝胶，以减少团聚，提高比表面积和比容量。

纳米纤维由于具有较高的比表面积而成为制备电极材料的良好选择。静电纺丝法是制备纳米纤维的最简单的方法，因此，可利用静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维并将其与氧化石墨烯复合用于电极材料，以进一步提高其比表面积，改善电极材料的比电容。聚丙烯腈纳米纤维以连续的长纤维形式存在复合气凝胶体系中，可对气凝胶起一定的增强作用，利于提高电极材料的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶制备方法及其应用。本发明首先将氧化石墨烯进行腈基化修饰，然后将其与聚丙烯腈纳米纤维复合经冷冻干燥、预氧化、水热还原、冷冻干燥等过程制备石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶。本发明可提高石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶的比表面积，减少石墨烯团聚现象的发生；同时也提供了更多的活性位点，有利于吸附更多离子，提高比电容。此外，预氧化过程中，腈基化修饰的氧化石墨烯与聚丙烯腈发生环化反应。一方面，环化反应形成的共轭结构利于离子传输，可使导电性提高；另一方面，环状结构稳定，可减少充放电过程中的体积变化，利于延长使用寿命。因此，石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶的制备，能有效改善超级电容器或电池的电极材料的综合性能。

本发明所提供的石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶，其制备过程包括：配置一定浓度的氧化石墨烯溶液，对其进行腈基化修饰；然后通过静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维，将其收集在无水乙醇中得聚丙烯腈纳米纤维分散液；将修饰后的氧化石墨烯溶液与聚丙烯腈纳米纤维分散液混合后超声分散，再经过冷冻干燥、预氧化、水热还原、冷冻干燥制备石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶。

本发明所提供的石墨烯/聚丙烯腈纳米纤维复合气凝胶的具体制备步骤如下：

(1)将氧化石墨烯分散在溶剂中，超声分散得到稳定的氧化石墨烯(GO)溶液；

(2)将氧化石墨烯溶液进行腈基化修饰，得修饰的氧化石墨烯(m-GO)溶液；

(3)将聚丙烯腈(PAN)溶解，加热搅拌，得到均一的淡黄色粘稠溶液，将聚丙烯腈溶液经静电纺丝制备纳米纤维，并收集在无水乙醇中，得聚丙烯腈纳米纤维分散液；

(4)将修饰后氧化石墨烯与聚丙烯腈纳米纤维分散液混合，超声分散得修饰后氧化石墨烯/聚丙烯腈(m-GO/PAN)纳米纤维混合液；