[发明专利]一种还原氧化石墨烯/导电高分子复合凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种还原氧化石墨烯/导电高分子复合凝胶，通过将制备得到的纳米回形针状导电高分子分散到氧化石墨烯水溶液，进行水热反应而成。本发明所述还原氧化石墨烯/导电高分子复合凝胶具有较好的电化学性能，可有效提升所得超级电容器的存储容量；且涉及的制备方法简单，无需严苛的反应条件和复杂的设备，无需引入有机溶剂，对环境无污染；适用于超级电容器、移动穿戴设备等领域。

技术领域

本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种还原氧化石墨烯/导电高分子复合凝胶及其制备方法。

背景技术

随着化石能源的急剧消耗，探索高效清洁的能源储存与转换器件成为人类社会可持续发展的重大挑战。作为一种新型高效储能器件，超级电容器相对于传统电容器与化学能源，有着电容量大、充放电速度快、循环稳定性好和功率密度高等优点，而导电高分子对其进行离子掺杂，增加其导电性，充分发挥导电聚合物的电化学性能，设计的导电高分子水凝胶不仅减少了非活性物质的质量与体积，且消除与导电基地之间的接触内阻，提高其导电性，从而增加其电化学性能。

石墨烯是由碳元素组成的单质，它单层的碳原子是以sp2杂化轨道组成片状连续六角型材料，从化学结构可以看到，石墨烯具有垂直于晶面方向的大π键，此结构决定了其具有优异的电化学性能。在众多的导电高分子材料中，聚苯胺和聚吡咯有电导率良好、副反应少、电子和离子传输效率高等优点，其中，聚苯胺的主链上含有交替的苯环和氮原子从而形成一种特殊的导电高分子材料，聚吡咯除了具备导电聚合物的通性外，还具有环境友好、易于大规模合成且成本低等特点。将石墨烯与聚苯胺或聚吡咯结合，提高其综合性能。

尽管导电高分子因其自身的优异性能在超级电容器的应用已经得到广泛发展，包括性能的提高，制作方法的多重性选择，形貌结构的设计，都将导电高分子在其应用方面得到改善，但仍面临许多挑战，如石墨烯单独用作超级电容器电极材料时容易发生不可逆的聚集，导致实际比表面积低，超级电容器的能量密度小；导电聚合物中的电活性物质在掺杂/去掺杂氧化还原反应中会发生剥离和脱落，会导致循环稳定性变差、电化学性能降低，因此，进一步探索石墨烯-导电高分子的复合工艺并优化其电化学性能等具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种还原氧化石墨烯/导电高分子复合凝胶，它具有较好的电化学性能和准可逆性，可有效阻止石墨烯片层的聚集，增加实际有效比表面积，增强石墨烯的导电性和分散性，并有效提升所得超级电容器的存储容量和力学性能；且涉及的制备工艺简单，操作方便，制作成本低廉，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种还原氧化石墨烯/导电高分子复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：

1)在冰浴条件下，向盐酸溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵搅拌均匀，依次加入过硫酸铵和单体搅拌均匀，静置反应；将所得产物进行过滤、清洗和干燥，得纳米回形针状导电聚合物；

2)将所得纳米回形针状导电聚合物加入氧化石墨烯水溶液中搅拌均匀，超声分散；

3)将所得分散液进行水热反应，取出产物，进行水洗，干燥，即得所述还原氧化石墨烯/导电高分子复合凝胶。

上述方案中，所述冰浴温度为0～4℃。

上述方案中，所述盐酸溶液的浓度为1～2mol/L。

上述方案中，所述单体为苯胺或吡咯；所得纳米回形针状导电聚合物为聚苯胺或聚吡咯。

上述方案中，步骤1)中引入的盐酸(HCl)、十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵和单体的摩尔比为1:(0.08～0.17):(0.2～0.5):(0.7～1.6)。

上述方案中，所述十六烷基三甲基溴化铵在整个反应体系中的浓度为0.08～0.17mol/L，过硫酸铵在整个反应体系中的浓度为0.2～0.5mol/L。