[发明专利]一种聚苯胺-石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料的制备，尤其涉及到一种聚苯胺-石墨烯复合材料的制备方法。 

背景技术

在过去的几十年里，由于化石燃料的消耗日益增加和环境的污染与日俱增，迫切需要发展具有高功率和能量密度的可替代能源存储/转换器件。作为能量存储和转换的器件，超级电容器，又称为电化学电容器，由于其独特的优点受到极大关注，比如，高的能量密度、优异的可逆性，安全和绿色等特点。[参见:P.Simon and Y.Gogotsi,Nature Materials,2008,7,845-854]在所有的超级电容器的电极材料中，赝电容的电极材料的能量密度高于双电层电容器的电极材料，这是由于赝电容的电极材料能进行连续的可逆的法拉第氧化还原反应。[参见:X.Zhao,B.M.Sanchez,P.J.Dobson and P.S.Grant,Nanoscale,2011,3,839-855.] 

聚苯胺作为赝电容电极材料，由于其便宜、储量大、环境友好和理论比电容大的特点而受到极大关注。[参见:C.Liu,F.Li,L.-P.Ma,H.-M.Cheng,Adv.Mater.,2010,22,E28–62.]然而其差的导电性和低的电子传输速度大大限制了其应用。有两种方案可以解决此问题。一种是改进聚苯胺的形貌，使其具有高表面积提供优越的赝电容性能，以促进电子和离子传输。 

另一种方法是添加导电性物质，如碳纳米管、碳球、活性炭、石墨烯等。石墨烯是由sp²杂化的碳原子组成的一种单原子厚度的二维层，具有大的比表面积和高的导电性等优点。 

最近几年，对于聚苯胺-石墨烯复合物研究的比较多。大体上讲，制备此类材料分为两种方法。一种是直接合成聚苯胺-石墨烯复合物。[参见:J.-J.Xu,K.Wang,S.-Z.Zu,B.-H.Han and Z.-X.Wei,ACS Nano.,2010,4,5019–5026.]另一种是先合成聚苯胺再与石墨烯复合。[参见:Z.-F.Li,H.-Y.Zhang,Q.Liu,L.-L.Sun,L.Stanciu and J.Xie,ACS Appl Mater Inter,2013,5,2685-2691.]然而，在大多数情况下，他们有一些固有的缺点，例如复杂的程序，费时，成本高，而且很可能“环境不友好”，限制其大规模生产。此外，有的复合物比电容值低，稳定性差。[参见:Q.Wu,Y.-X.Xu,Z.-Y.Yao,A.-R.Liu and G.-Q.Shi,ACS Nano.,2010,4,1963–1970.]有的需要繁杂的步骤和苛刻的条件制备碳材料，[参见:D.-W.Wang,F.Li,J.-P.Zhao,W.-C.Ren,Z.-G.Chen,J.Tan,Z.-S.Wu,I.Gentle,G.-Q.Lu and H.-M.Cheng,ACS Nano.,2009,3.1745-1752.]需要额外引入金属离子增加复合物导电性[参见:C.-L.Long,T.Wei,J.Yan,L.-L.Jiang and Z.-J.Fan,Acs Nano.,2013,7,11325-11332.]和再引入一种碳材料增强导电性。[参见:M.Zhong,Y.Song,Y.-F.Li,C.Ma,X.-L.Zhai,J.-L.Shi,Q.-G.Guo and L.Liu,Journal of Power Sources,2012,217,6-12.]因此，迫切需要开发一个简单，绿色，条件温和，低成本和环境友好型原位的方法来实现广泛的应用。 

在超级电容器的电极材料中，导电聚合物具有较高的理论比电容，因而受到了人们越来越多的重视。其中聚苯胺相比于其它导电聚合物来说，具有其在电子、生物、光学方面的优异性能、易于合成、良好的环境稳定性、酸条件下易掺杂、碱条件下易去掺杂等优点。然而单独聚苯胺作为超级电容器的电极材料因为其导电性较差，而且聚苯胺难溶和难融的性质都限制了它的广泛应用，所以导致超级电容器的比电容值低，循环性能差。为解决这一问题，现在主要的方法有制备特殊形貌的的聚苯胺、制备石墨烯-金属氧化物-聚苯胺三元复合材料等。在石墨烯-聚苯胺二元复合材料的基础上，又引入一种金属氧化物，这种方法在一定程度上提高了聚苯胺的导电性和复合材料的比电容值，但是实验条件要求苛刻，如反复调整溶液的pH值、特殊的气体保护、严格的温度控制、繁杂操作的手套箱等步骤，这些无疑增加了实验成本与难度，不适合大规模生产应用。 

在以往的研究中，控制形貌需要有特殊的基底、装置、模板、电化学的方法等，工艺十分复杂。