[发明专利]一种碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料的制备方法

说明书

本发明属于新型能量存储装置领域，具体涉及一种碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料的制备方法；本发明以柔性功能化碳纤维布作为基底材料，采用水热法或高温煅烧法，复合还原剂在柔性碳纤维布表面还原生长石墨烯，形成牢固、均匀的包覆层，再通过电化学聚合法在石墨烯和碳纤维表面聚合生长纳米聚苯胺阵列得到碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料；本发明制备的碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料作为超级电容器电极材料，在0.2A/g电流密度下，比容量达535F/g，以1A/g的电流密度循环8000周容量保持率为92.5％。

技术领域

本发明属于新型能量存储装置领域，具体涉及一种碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料的制备方法。

背景技术

超级电容器(Supercapacitors)也称电化学电容(ElectrochemicalCapacitors)，是一类性能介于物理电容器和蓄电池之间的新型储能器件，其容量可达几百甚至上千法拉。具有高功率、快充放电、长循环寿命、高安全性以及免维护等优点。因此，以超级电容器为代表的能量存储装置受到了广泛重视。柔性超级电容器的柔韧性好、易集成、电化学性能优越等诸多优点可广泛应用在高科技装备如先进无线电台、通信设备、防弹背心等，以及手机、掌上电脑、可穿戴等民用产品。柔性电子科学及电子产品对其所配套电源的能量密度、安全性、便携、质轻等要求越来越高，开展柔性超级电容器关键技术研究成为最具发展潜力的方向之一。其中，通过将活性物质原位生长在柔性基底上制备的柔性一体化的电极片能消除传统工艺中添加粘结剂对器件的电容性能和稳定性带来的负面影响，具有较好的比容量和循环稳定性，因此，柔性一体化的新型储能装置具有很大的应用前景。

石墨烯材料具有优异的电化学性能，作为新兴材料广泛应用于超级电容器电极材料研究领域。为了实现超级电容器电极材料的高柔性，具有二维层状结构的石墨烯材料成为了最佳选择。为了更好的提高石墨烯的性能，将聚苯胺与石墨烯进行结构设计形成复合材料，聚苯胺结构中的苯环与石墨烯发生π－π共轭作用，氨基与石墨烯上的官能团发生静电相互作用，可以有效的抑制石墨烯团聚，以及充放电过程中聚苯胺的结构坍塌，增加材料的稳定性。同时聚苯胺具有可逆的多重氧化还原态、高的导电率、快速的掺杂-脱掺杂能力和经济成本低等特性，能提供有较高的理论电容量，使得导电率、赝电容性质和材料可加工性均得到提高，扩宽了石墨烯复合材料的应用范围。所以，石墨烯/聚苯胺复合材料可以满足超级电容器柔性化、高能量密度等需求。

本发明以柔性碳纤维布作为基底材料，对碳纤维布进行功能化有效提升材料的亲水性和电容量。功能化碳纤维复合分别具有双电层和赝电容效应的石墨烯和纳米聚苯胺材料，将纳米聚苯胺电活性材料引入石墨烯片层中，实现了强协同效应，以提高比容量、功率密度以及循环寿命等。传统方法中多采用单一的方式进行氧化石墨烯还原并与柔性基底复合，存在材料间结合力不强，氧化石墨烯还原不完全，易形成团聚等问题。同时复合聚苯胺材料多采用引发聚合使得制备时间长，而直接添加聚苯胺材料，则使得复合材料间结合力差，在充放电的过程中容易发生结构坍塌，降低复合材料的稳定性。本发明采用还原剂复合水热法或还原剂复合高温煅烧法，通过双还原在柔性碳纤维布表面还原生长牢固、均匀的石墨烯包覆层。然后通过电化学聚合法快速生长纳米聚苯胺阵列得到碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合电极材料。该材料具有高电化学容量和良好的循环稳定性，作为柔性超级电容器电极材料具有很大的应用前景。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料的制备方法。

具体是通过以下技术方案来实现的：

本发明的目的在于提供一种碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料的制备方法，利用水热法或高温煅烧法，复合还原剂在柔性碳纤维上还原生长石墨烯，然后通过电化学聚合法在碳纤维表面聚合苯胺，形成聚苯胺纳米阵列，得到碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料。

进一步的，前述的碳纤维基石墨烯/纳米聚苯胺复合材料的制备方法，包括如下步骤：