[发明专利]三维石墨烯/聚苯胺阵列超级电容器电极材料的制备方法

说明书

一种三维石墨烯/聚苯胺阵列超级电容器电极材料的制备方法，泡沫镍作为模板通过化学气相沉积法制备出三维石墨烯基底，然后对三维石墨烯进行轻微的活化处理，最后利用原位聚合法在三维石墨烯基底上原位生长聚苯胺阵列，得到一种具有高比表面积、高性能的超级电容器电极材料。本发明制备方法简单，所制备的电极材料聚苯胺分布均匀，石墨烯结构完整，电化学性能相对于单独石墨烯具有显著提升。

技术领域

本发明涉及一种三维石墨烯/聚苯胺阵列超级电容器电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型的电能存储器件，具有超高的能量密度和功率密度，较高的循环稳定性等优点。按其储能机理不同主要可将其分为双电层电容器和赝电容器两大类。双电层电容器主要是是通过电解液离子在电极材料表面吸脱附来实现电荷的存储与释放。因此想获得较高的能量密度需要电极材料具有较大的比表面积。石墨烯是一种只有单原子层厚度的二维材料，具有超高的导电性和优异的力学性能，同时其比表面积可高达2630m²×g^-1，因此石墨烯被认为是一种非常理想的超级电容器电极材料。

最近三维石墨烯因为其优异的性能而引起了许多研究者的关注，其三维多孔结构可以提供更大的比表面积，同时可以防止石墨烯团聚现象的发生，有效的提高材料的电化学性能。但单独将三维石墨烯作为超级电容器电极材料，由于其双电层的储能机制，存储的容量较低，不能满足实际需求。因此将三维石墨烯与赝电容材料(过渡金属氧化物和导电聚合物)结合，同时利用两种材料的性能优势，成为目前提高三维石墨烯电化学性能的主要手段。聚苯胺是一种应用非常广泛的超级电容器电极材料，它具有导电性能高，理论比容量高、合成方法简单和价格低廉等优点。将其与三维石墨烯结合制备出石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料已成为目前超级电容器电极材料研究的热点。其中，氧化石墨烯因其表面大量的含氧基团可为苯胺的聚合提供活性位点，易于形成稳定的三维结构受到广泛的关注。(Yu Pingping,Zhao Xin,Huang Zilong,et al.Free-standing three-dimensionalgraphene and polyaniline nanowire arrays hybrid foams for highperformanceflexible and lightweight supercapacitors.Journal of materials chemistry A,2014,2:14413-14420.)Yu等人将泡沫镍作为模板浸入到氧化石墨烯的水溶液中，使氧化石墨烯包裹在泡沫镍表面，然后使用盐酸溶液去除泡沫镍模板，并通过化学还原得到三维石墨烯材料。将其加入到苯胺单体溶液中，浸泡180min，加入聚合促进剂聚合24h获得三维石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料。对材料进行电化学性能测试，其比电容可达到790F/g，且经过5000次循环后其容量保留率仍可达到80％。这一方面是因为石墨烯为电子的快速传输提供了通道，另一方面是因为聚苯胺有规则的排列增加了材料的比表面积，从而有效的提高了材料的电化学性能。(Meng Yuena,Wang Kai,Zhang Yajie,et al.Hierarchicalporous graphene/polyaniline composite film with superior rate performance forflexible supercapacitors,Advanced materials,2013,25(48):6985-6990.)Meng等将氧化石墨烯分散液，氯化钙和氨水溶液混合，并向其中通入二氧化碳气体，形成氧化石墨烯包裹碳酸钙模板的三维多孔结构，然后使用肼蒸汽还原氧化石墨烯，并用盐酸溶液去除碳酸钙模板得到三维石墨烯，将其加入到含有苯胺单体的高氯酸溶液中缓慢搅拌，然后向其中加入聚合促进剂，冰浴条件下反应24h，将产物洗涤干燥后，得到三维石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料。由于其稳定的结构和较大的比表面积，使得该材料表现出了优异的电化学性能。