[发明专利]芘基季铵盐修饰超级电容器用石墨烯分散液的制备方法

说明书

本发明属电化学技术领域，尤其涉及一种芘基季铵盐修饰超级电容器用石墨烯分散液的制备方法，系通过芘基季铵盐将石墨烯粉体或团聚态浆料分散于溶剂中，经过机械分散，即得目的产物；所述芘基季铵盐的制备方法如下：（1）于反应器中，将4‑（1‑）芘丁酸甲酯加入N,N‑二甲基乙二胺或N,N‑二甲基丙二胺的乙醇溶液中，通过酰胺化反应得到酰胺中间体；（2）将所得酰胺中间体在乙二醇二甲醚中，通过与丙磺酸内酯或丁磺酸内酯的季铵化反应得到目的产物芘基季铵盐。本发明制备工序简单，含量高，性能稳定，石墨烯分散液用于超级电容器电极材料，构成的超级电容器具有低的内阻和高的静电容量，以及优良的循环特性。

技术领域

本发明属电化学技术领域，尤其涉及一种芘基季铵盐修饰超级电容器用石墨烯分散液的制备方法。

背景技术

石墨烯具有优异的电学、力学、光学以及热学等性质，被广泛用于金属晶体管、超级电容器、非线性光学材料、纳米复合材料载体、电化学传感器、药物载体、储氢材料、气体吸附剂、太阳能电池等领域。石墨烯片层间有较强的范德华力，非常容易发生聚集，使其难溶于水及常用的有机溶剂，大大影响实际应用中石墨烯性能的发挥。因此，为了充分发挥其优良性质，制备均一、高稳定性的石墨烯分散体系是其在众多领域研究和应用的重要条件。

直接制备石墨烯分散液的一种方法是将石墨或膨胀石墨直接加在某种有机溶剂或表面活性剂水溶液中，借助超声波、加热或研磨的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。溶剂分子或表面活性剂分子通过π-π堆积与疏水作用等吸附在石墨烯表面，依靠静电排斥或分子间作用力，实现石墨烯的有效分散。文献报道的溶剂有二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-吡咯烷酮(NMP)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、邻二氯苯、乙腈、三氯甲烷等，表面活性剂有十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、胆酸(SDC)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、吐温80、曲拉通X100等。石墨烯的液相直接分散法制备过程不涉及化学变化，具有成本低、操作简单等优点，但是得到的石墨烯分散液浓度较低，仅能达到0.1％(质量比)；有机溶剂可以得到较高浓度的石墨烯分散液，分散浓度可以超过1％(质量比)，但成本高，且其沸点较高，不易除去，从而对最终性能，尤其是电学和热学性能，造成不利的影响，因此限制了石墨烯的进一步应用。

一种间接制备石墨烯分散液的方法，是先对石墨进行强氧化处理，得到表面和边缘拥有大量的羟基、羧基、环氧等基团的氧化石墨烯，这些官能团使其容易与其它试剂发生反应，得到改性的氧化石墨烯，然后再通过还原得到亲水性的修饰石墨烯，具有在水溶液中的良好分散性。但这些方法中均使用了强腐蚀性、强氧化性的物质，对设备要求高，而且得到的石墨烯其晶体结构也极不完整，有大量缺陷存在，从而限制了其在功能材料领域的应用。

超级电容器(双电层电容器)是近年来发展起来的一种高能量电能存储元件,具有高功率密度、高循环寿命、可快速冲放电和对环境无污染等优点,被广泛应用于电机调节器、传感器、微机存储器的后备电源、机动车辆的启动装置、风力发电和太阳能发电系统等洁净能源系统，因而受到关注。

石墨烯是碳原子以sp²杂化体系紧密堆积成的蜂窝状二维晶格结构碳纳米材料，具有良好的电学、力学和热学性质。石墨烯单分子层的厚度使其具有超高的理论表面积和极高的面内载流子传输性能，因此，石墨烯是一种理想的制备高能量密度功率型超级电容器用电极材料。然而，由结构稳定的苯六元环组合而成的石墨烯，其惰性的表面难以被电解液润湿，同时石墨烯的片与片之间有较强的范德华力，还原过程中容易发生团聚，比表面积下降，导致石墨烯表面的电双层形成效率和电解质离子传输速率降低。