[发明专利]氮氟共掺杂多孔石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料及制法和应用

说明书

本发明涉及一种氮氟共掺杂多孔石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法和应用，包括以下步骤：在剧烈搅拌下，将过氧化氢溶液缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，水热反应，得到多孔石墨烯水凝胶，然后放入含有吡啶氢氟酸盐的水溶液中，得到的混合物转移至水热釜反应，得到氮氟共掺杂多孔石墨烯水凝胶，转移至含有苯胺单体的氯化氢水溶液中，浸泡，转移至含有抗坏血酸的氯化氢水溶液中，反应得到氮氟共掺杂多孔石墨烯/聚苯胺复合材料；切割成薄片，压缩，得到氮氟共掺杂多孔石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料。与现有技术相比，本发明电极薄膜不仅拥有致密的结构，而且可以展现优异的体积比电容，对小型储能设备的设计和开发有着借鉴价值。

技术领域

本发明涉及储能材料技术领域，尤其是涉及一种氮氟共掺杂多孔石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

绿色可再生能源大规模的生产输出促进了一系列能量储存与转化设备的诞生与发展。超级电容器作为一种新型储能器件，因具有卓越的功率密度以及稳定的循环寿命，而受到了科研人员的广的关注。然而，可穿戴柔性器件等小型电子设备的发展及应用对超级电容器的体积占比提出了越来越高的要求，作为最主要的组成部分，超级电容器用电极材料在满足高比电容、稳定的循环能力等性能的同时，必须向降低自身体积的方向努力以满足便携式器件的发展。

体积比电容是一个重要的衡量超级电容器用电极材料是否能够缩小占用体积的电化学指标，众多的工作为了提高体积比电容而尽可能去设计具备致密结构的材料，但是，提高材料结构密度的同时可能会造成重量比电容的下降。因此，若要实现优越的体积比电容，则需要找到重量比电容和材料密度可以达到最优的平衡点。石墨烯具有较大的理论电容、高电子迁移率、高比表面积和优异的机械稳定性，可以轻松的制备成有较高自身密度的三维自支撑材料。然而，石墨烯不同片层间在密度较高的结构中会容易重新聚集堆积，从而减少了可供电解质离子吸附的有效表面，阻碍了材料优异电化学性能的展现。

目前，在制备石墨烯电极材料多采用模板法和成孔法，试图构建三维石墨烯结构，减少其片层的堆叠。但仍存在堆叠不可控，离子渗透能力不强，电化学性能提高不明显且制备工艺复杂，模板和成孔物残留对电极的导电性也有所影响。

专利申请CN201910349256.6公开了一种多孔石墨烯/聚苯胺膜及其制备方法与应用。该方法通过结合使用刻蚀剂过氧化氢和还原剂氢碘酸，对氧化石墨烯进行面内碳空位缺陷改性和还原处理，使其具有优异的离子传输和电荷转移能力，在此基础上通过循环伏安法电聚合苯胺单体，快速制备多孔石墨烯/聚苯胺复合电极材料。所得多孔石墨烯/聚苯胺膜在使用三电极测试其在0.5A/g的电流密度下的比质量电容最高达500F/g，在10A/g的电流密度下循环1000次，其电容保持率为92％。该发明所采用的电聚合法快速聚合制备聚苯胺复合材料，聚合度可控，复合模厚度可调，且具有三明治夹层结构，提高了复合电极的电化学性能。然而，该专利技术运用还原剂氢碘酸对氧化石墨烯进行还原，这增加了材料的生产时间和成本。并且，该专利首先将石墨烯的混合分散液抽滤成薄膜，随后再进行苯胺的电化学聚合，这种方式难以使苯胺单体在薄膜内部聚合生长，这导致聚苯胺和石墨烯的结合程度较小，结构不稳定，另外，电化学聚合的方式需要导电支持和复杂的安装过程，不适合大规模地制备电极材料。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具备致密结构并可以展现较高体积比电容的氮氟共掺杂多孔石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种氮氟共掺杂多孔石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在剧烈搅拌下，将过氧化氢溶液以1滴/s的速度缓慢加入到氧化石墨烯分散液中，使物质混合均匀，经过10～30min的搅拌后，将混合溶液放入水热釜中，在110-230℃下水热反应5-15h后，冷却至室温，经过去离子水洗涤，得到多孔石墨烯水凝胶；