[发明专利]一种纤维素/石墨烯/聚苯胺复合凝胶的自组装制备方法

说明书

本发明提供一种纤维素/石墨烯/聚苯胺复合凝胶的自组装制备方法，该制备方法将聚苯胺溶解在N‑甲基‑2‑吡咯烷酮中，再将纤维素与氧化石墨烯的水溶液混合均匀，通过抗坏血酸还原得到纤维素/石墨烯/聚苯胺复合水凝胶。本发明通过两次自组装，即第一次自组装发生在聚苯胺和纤维素/氧化石墨烯之间，当聚苯胺的N‑甲基‑2‑吡咯烷酮溶液与纤维素/氧化石墨烯的水分散液混合时，导致聚苯胺@纤维素/氧化石墨烯纳米片分散在N‑甲基‑2‑吡咯烷酮/水共混溶剂中。与此同时抗坏血酸将氧化石墨烯组分还原成石墨烯，导致聚苯胺@纤维素/石墨烯纳米片进行第二次自组装，因两次自组装，使复合凝胶中的聚苯胺在分子水平上均匀分布，从而表现出良好的电化学性能。

技术领域

本发明涉及新材料、超级电容器技术领域，特别涉及一种纤维素/石墨烯/聚苯胺复合凝胶的自组装制备方法。

背景技术

碳材料由于其优异的性能所以一直被广泛应用于制备复合材料。其中石墨烯是一种二维结构的新型优良碳材料，主要由于其优异的化学和物理性能，如源于SP₂杂化故可定制的化学功能，优异的电子传输性能，良好的热导率，和高机械强度。上述特性使得石墨烯在能源材料、催化、生物成像、纳米医学等等领域拥有巨大的潜力。但石墨烯材料易发生片层间的堆砌和团聚，所以以氧化石墨烯为前驱体，制备得到复合材料后，继而通过还原得到石墨烯。

从可持续性的角度来看，纤维素是地球上最丰富的天然生物聚合物，是包括能源在内的许多领域可再生材料的关键来源。纤维素还具有可再生，可生物降解、生物相容性好、易化学改性以及力学性能优异的优点。

聚苯胺是一种典型的导电聚合物，具有导电率高、结构多样化、耐氧化和独特的掺杂现象，同时其制备原料价格低廉、制备工艺简单，是导电聚合物中最具有应用前景的一种。但其易发生溶胀和收缩行为，这会因为破坏电极而致使电化学性能大幅下降。

将纤维素、石墨烯以及聚苯胺结合起来制备成复合凝胶材料。石墨烯的结构稳定了聚苯胺的溶胀与收缩，纤维素材料提升了凝胶材料的力学性能。公告号为CN108359139A的中国发明专利公开了一种纤维素基复合导电材料的制备方法，其是先超声溶解氧化石墨烯粉末，之后加入导电聚苯胺粉末，再加入羧甲基纤维素钠颗粒搅拌均匀，最后加入还原剂的条件下80℃反应6～36小时。此发明制作工艺简单，但反应时间比较长。公告号为CN104313873A的中国发明专利提供了一种石墨烯/聚苯胺自组装柔性导电织物的制备方法，将织物浸渍到含有氧化石墨烯或其衍生物的pH为2～6的水溶液中，浸渍温度10～50℃，浸渍时间0.2～2h，然后将织物于40～100℃烘燥0.5～4h，之后在还原剂溶液中还原，还原温度50～100℃，还原时间0.5～6h，最后水洗，烘干，但此发明中织物浸渍的氧化石墨烯或其衍生物的量不能控制。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种纤维素/石墨烯/聚苯胺复合凝胶的自组装制备方法，以解决现有复合凝胶制备工艺较复杂且组分含量难调控的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种纤维素/石墨烯/聚苯胺复合凝胶的自组装制备方法，包括以下步骤：

1)将0.1～0.35g聚苯胺粉末分散在3.3～1.2mL的N-甲基吡咯烷酮中，在60℃条件下搅拌2小时，得到聚苯胺分散液；

2)将棉短绒至于碱/尿素溶剂中并在低温条件下高速搅拌溶解，然后，用水洗去碱/尿素体系，得到纤维素；

3)取3-10mL所述纤维素加入到40-80mL氧化石墨烯溶液中搅拌均匀后，加入0.5-1g抗坏血酸，混合均匀，得到混合溶液A；

4)将所述混合溶液A加入至所述聚苯胺分散液中，经加热静置，得到纤维素/石墨烯/聚苯胺复合凝胶。

可选地，所述步骤1)中所述聚苯胺粉末为通过以下方法制得的聚苯胺粉末：

将过硫酸铵溶于水中，得到过硫酸铵水溶液；