[发明专利]一种高浓度石墨烯-聚苯胺纳米纤维复合分散液及复合膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种高浓度石墨烯-聚苯胺纳米纤维复合分散液及复合膜的制备方法。

背景技术

自2004年发现石墨烯以来，人们普遍认为石墨烯以其独特的结构和优异电学、热学和力学性能在众多领域将引起革命性的变化。石墨烯的制备方法有很多，如微机械剥离、化学气相沉积、晶体外延生长和溶剂剥离等，但这些方法制备的石墨烯加工性差，限制了它的大规模应用。将石墨烯制备成分散液则可以大大改善其加工性，使其可以广泛用在液-液自组装、真空抽滤和复合材料等领域。然而，石墨烯由大量的芳香碳原子构成，拥有极大的比表面积，层与层之间的强烈的范德华作用力使其极易团聚，很难得到稳定的石墨烯分散液。

氧化还原法以其低廉的成本和易于实现规模化的优势成为制备石墨烯分散液的最佳方法，但是在通过还原剂使氧化石墨烯向石墨烯转化的过程中，与之相伴的石墨烯的团聚就会发生。氧化石墨烯表面带有很多极性含氧官能团，如羟基、羧基和环氧基，很容易分散在极性溶剂中形成稳定的分散液。然而，随着还原反应的进行，石墨烯片上的含氧官能团被逐渐脱除，由于层与层之间强烈的相互作用石墨烯片极易形成团聚体而析出，难以得到稳定的分散液。虽然有研究者采用水溶性高分子、生物大分子和表面活性剂等分散稳定剂可以抑制石墨烯片的团聚，制备出稳定的石墨烯分散液，但是这些分散剂的存在不仅增加了后续工艺的复杂性而且很难脱除(Langmuir 2009，25，12030-12033)。分散剂残留在石墨烯片上，大大降低了石墨烯本身优异的光、电和磁性能，限制了石墨烯的应用。

聚苯胺纳米纤维兼有本征型导电高分子和纳米材料的特性，作为石墨烯的分散稳定剂有望发挥二者的协同效应制备出光、电和磁性能优异的复合材料，然而，目前的制备方法无法得到稳定的高浓度石墨烯-聚苯胺复合分散液。聚苯胺作为一种本征型导电高分子，以其低廉的价格、良好的环境稳定性、独特的掺杂脱掺杂机制及优异的电化学活性，可以广泛用在传感器、超级电容器、二次电池和电磁屏蔽等领域，成为众多研究者关注的对象。聚苯胺独特的分子结构可以和石墨烯的π体系、残余的含氧官能团之间发生π-π堆积、氢键和静电力等非共价相互作用，将石墨烯和聚苯胺结合有望制备出一种性能优异的具有光电活性的新材料。

一些研究者采用原位的化学或者电化学聚合，共价或者非共价修饰以及自组装的方法制备了氧化石墨烯/石墨烯和聚苯胺的复合材料，然而这些复合材料往往具有较差的加工性(Carbon 2010，48，487-493；ACS Nano2009，3，1745-1752；Electrochem Commun 2009，11，1158-1161)。关于石墨烯-聚苯胺复合材料分散液的制备鲜有文献报道，仅清华大学的Shi等人对此进行了研究，采用透析纯化的石墨烯分散液与聚苯胺纳米纤维分散液而后通过物理混合制备了石墨烯-聚苯胺纳米纤维复合分散液，但前期透析工艺相当耗时，制备的分散液浓度很低(ACS Nano 2010，4，1963-1970)。低的分散浓度和差的分散稳定性，限制了石墨烯-聚苯胺复合材料的应用。中国专利CN101781459A、CN101781458A和CN101985517A中均采用在氧化石墨烯的分散液中进行苯胺的原位聚合，而后通过还原得到石墨烯-聚苯胺的复合材料。这种复合材料不溶不熔，而且难以分散在液体介质中，因而加工性较差，很难满足真空抽滤、喷涂、旋涂和液-液自组装等工艺的应用需要，限制了复合材料的应用。因此，采用简便的方法制备出稳定的高浓度石墨烯-聚苯胺复合分散液有助于拓展石墨烯的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、反应温度低、容易实现工业化的高浓度石墨烯-聚苯胺纳米纤维复合分散液及复合膜的制备方法。

为达到上述目的，本发明高浓度石墨烯-聚苯胺纳米纤维复合分散液的制备方法如下：

1)氧化石墨烯-聚苯胺纳米纤维分散液的制备

将氧化石墨和聚苯胺纳米纤维分别加入蒸馏水中，超声分散2h后得到稳定的浓度为0.5～2mg/mL的氧化石墨烯分散液和浓度为0.1～0.3mg/mL的聚苯胺纳米纤维分散液；

按氧化石墨烯比聚苯胺纳米纤维的质量比为1～4∶1向氧化石墨烯分散液中逐滴加入聚苯胺纳米纤维分散液，继续超声分散2h并调节体系的pH为4，得到总浓度为0.5～1mg/mL的氧化石墨烯-聚苯胺纳米纤维分散液；

2)高浓度石墨烯-聚苯胺纳米纤维复合分散液的制备