[发明专利]聚吡咯/石墨烯薄片/氧化镍纳米复合导电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种聚吡咯基纳米复合导电材料的制备，尤其涉及一种以聚吡咯（PPy）为主体，以石墨烯纳米薄片（GNS）、氧化镍（NiO）为填料的三相复合导电材料的制备方法。

背景技术

含有共轭双键的导电高分子材料聚吡咯（PPy）与其他导电高分子材料相比有较高的导电能力和热稳定性，易合成等特点，被广泛用于制作生物感应器、功能分子膜、二次电池和非线性光学装置等。通常情况下，聚吡咯质地脆、不熔不溶、不可加工。为了改善聚吡咯的加工性能、提高聚吡咯的导电性能，通过分散不同的功能性导电填料到聚吡咯基体中而形成聚吡咯/无机层复合导电材料，而且复合导电材料的性能可以通过导电填料材料的类型、填料量、填料的表面功能化等而能够被很好的控制。

石墨烯纳米薄片由于保持了天然石墨的片层结构而拥有较高的比表面积、较低的渗滤阀值和较高的导电性，被视为一种具有优势和应用前景导电填料。因此将石墨烯纳米薄片分散到聚吡咯中得到的聚吡咯/石墨烯薄片纳米复合材料具有很好的导电性能和可加工性。但是为了进一步改善聚吡咯/石墨烯薄片纳米复合材料电化学性能，目前在两相复合材料的基础上引入金属单质或金属氧化物成为一个研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚吡咯/石墨烯薄片/氧化镍纳米复合导电材料的制备方法。

本发明聚吡咯/石墨烯薄片/氧化镍纳米复合导电材料的制备方法，是以乙醇为介质，以聚乙二醇-400为分散剂，以对甲苯磺酸为掺杂剂，FeCl₃为引发剂，将石墨烯薄片、纳米氧化镍、吡咯单体在0~5℃下超声聚合，得到聚吡咯/石墨烯薄片/氧化镍纳米导电复合材料。其具体制备工艺如下：

将石墨烯薄片、纳米氧化镍、吡咯单体及聚乙二醇-400超声分散于无水乙醇中；在0~5℃下，向体系中加入对甲苯磺酸，超声分散5~10min；再加入FeCl₃溶液，超声条件下反应2~4h；静置，抽滤，洗涤，干燥，得聚吡咯/石墨烯薄片/氧化镍纳米导电复合材料。

其中，石墨烯薄片、吡咯单体、纳米氧化镍的质量比为1: 8: 3 ~1:18:18。

所述聚乙二醇-400的用量为吡咯单体质量的1~2倍。

所述对甲苯磺酸的加入量吡咯单体质量的5~20%。

所述FeCl₃溶液的浓度为0.3~0.7mol/L，且FeCl₃的量为吡咯单体质量的9~18倍。

下面通过扫描电镜、FTIR对本发明制备的PPy/GNS/NiO复合导电材料的结构和性进行分析说明。

1、电镜分析

图1是纯PPy的SEM照片。由图1可以看出，PPy为近似圆形的球状颗粒，且球状颗粒的大小较均匀，颗粒间互相无序地黏结、堆积搭建成一个具有空隙的网状“桥”结构。

图2为复合材料PPy/GNS的SEM照片。从图2中可以清楚地看到大量的球状PPy分散在GNS的表面，颗粒大小均匀，呈现出一种球状PPy在GNS表面生长的趋势。

通过对比图1、2可以发现，在复合材料中的球状PPy颗粒比纯PPy的颗粒更为均匀和粒径较小。推测复合材料中的球状PPy颗粒变小的原因在于复合材料中具有较大片层、高度芳香基面的GNS，使得在聚合初期大量的吡咯单体和低聚物通过静电作用吸附于GNS的表面，充当了基底或“核”的作用。因此，使吡咯的聚合反应被控制在一定的范围内，大大降低了低聚物、单体之间的碰撞聚合几率，进而降低了反应速率、细化聚合物颗粒的作用。

图3是PPy/GNS/NiO的SEM照片。从图3中可以看到，聚吡咯和NiO纳米颗粒均匀的分散在GNS的表面，并且将GNS完全包覆在内。少量GNS的存在使纳米氧化镍得到了很好的分散，大大降低的纳米颗粒的团聚。

综上所述，本发明制备的PPy/GNS/NiO导电复合材料中，纳米NiO均匀分散在GNS当中；聚吡咯生长在GNS的表面和边缘，并且将GNS完全包覆在内。

2、FTIR谱图分析