[发明专利]石墨烯负载改性聚苯胺制备超高比电容纳米复合材料的方法

说明书

本发明属于新型能源器件超级电容器领域，主要是石墨烯负载改性聚苯胺制备超高比电容纳米复合材料的方法。采用Hummers法制备氧化石墨烯，以硬模板法和原位聚合法相结合的方法制备电容器电极材料，即H₂SO₄掺杂的PANI/ATP，并将其作为前驱体，对其用氢氟酸腐蚀凹凸棒土，得到改性聚苯胺。在此基础上，以改性聚苯胺为载体，运用电化学方法，制备石墨烯/改性聚苯胺纳米复合材料。本发明方法的制备工艺简单，设备简单，制备原料廉价易得，且所制备的石墨烯负载改性聚苯胺在电流密度为1A/g的条件下，电容高达654.75F/g，超过常见的大部分超级电容器电极材料，是一种具有极大潜在应用前景的电极材料。

技术领域

本发明涉及了一种石墨烯负载改性聚苯胺制备超高比电容纳米复合材料的方法。

背景技术

21世纪，人们面临着能源、资源短缺和环境恶劣等问题，新能源的开发利用和提高能源利用效率等问题成为我们如今研究的目标。超级电容器又称为电化学电容器，是一种新型能源器件，具备着对环境友好好和储能性能良好的特点。超级电容的技术不断发展，推动其应用范围从最初的电子设备领域扩展到动力领域、储能领域。随着当今经济的快速发展，当今时代科学技术迅猛发展，平板电脑、手机等产品中的液晶显示屏都有电容器的踪影。超级电容器的核心是在电极和电解液上，其中电极材料比表面积、电导率、孔径大小、形貌、结构、耐酸耐碱性等因素直接决定了超级电容器电化学性能。我国的电容器行业已经发生了翻天覆地的变化，除此之外，还应用于电动汽车、航天航空、国防等领域，可谓是应用十分广泛。这主要是因为超级电容器具备高能密度、大的功率密度和循环寿命长等特点。因为超级电容器优越的性能，已成为21世纪新能源开发利用的一颗璀璨明星。

本发明中所制备的纳米复合电极材料兼具了碳材料中的石墨烯和导电聚合物中的聚苯胺。其中，二者单独作为电极材料时各具缺陷和不足之处，如下(1)石墨烯由于具有较大的比表面积和良好的导电性能而成为人们最早研究碳基电极材料的热点。但由于石墨烯片层间强烈的π-π作用导致其表面易于团聚大大削弱了其作为电极材料的比电容和使用寿命。(2)导电聚合物中聚苯胺因其电容高、电阻低，在溶液中简单易于聚合制备得到，但聚苯胺作为电极材料的缺点是其循环使用寿命较短，不利于长时间或高电流密度下进行充放电。目前国内外，科学人员致力于研究(氧化)石墨烯/导电高分子复合材料，发现两种单一材料能够取长补短，在超级电容器方面取得了很好的成果，因此将石墨烯和改性聚苯胺复合制备纳米材料旨在进一步提高碳材料/导电聚合物基电极材料的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯负载改性聚苯胺制备超高比电容纳米复合材料的方法。

本发明的思路：采用原位化学聚合法和模板法，以廉价易得、多孔道的凹凸棒土为模板，制备PANI/ATP，通过HF酸腐蚀掉PANI/ATP复合物中的ATP从而得到多孔性的改性聚苯胺。再通过电化学还原法制备石墨烯负载的改性聚苯胺，获得具有超高比电容的石墨烯/改性聚苯胺纳米复合电极材料。

具体是按以下步骤进行：

(1)用移液管量取0.5mL的苯胺溶液，溶于40mL的0.5mol.L^-1的H₂SO₄中，并加入0.25g的十二烷基苯磺酸钠，并置于超声波清洗器中进行超声分散，记为溶液A；将凹凸棒土溶于0.5mol.L^-1的H₂SO₄中，配制成一定浓度的ATP/H₂SO₄溶液(4g/100mL)，量取一定量与溶液A混合，记为混合溶液C；将混合溶液C置于冰水浴中，在0℃下搅拌；称取1.25g过硫酸铵，溶于18mL的0.5mol.L^-1的H₂SO₄中，记为溶液B；将溶液B分别缓慢(3s/d)滴加到溶液C中，聚合反应8h，制备一定质量比H₂SO₄掺杂PANI/ATP复合材料；