一種蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料及其制備方法，是將氧化石墨烯、環(huán)氧化碳納米管加入氨基蒽醌的乙醇溶液中，加熱回流后制備得到蒽醌分子共接枝碳；然后將導(dǎo)電聚合物單體、摻雜劑、氧化劑加入蒽醌分子共接枝碳分散液中，攪拌條件下于0?30℃反應(yīng)12?24h后得到蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。本發(fā)明專利技術(shù)利用氨基蒽醌分子作為電活性媒介共同接枝氧化石墨烯與碳納米管，提高石墨烯在復(fù)合材料中的分散性，并拓寬其電位窗口；將二維石墨烯片與一維碳納米管的復(fù)合接枝結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電聚合物進(jìn)行復(fù)合，獲得三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，作為超級(jí)電容器電極材料表現(xiàn)出較高的能量密度與循環(huán)穩(wěn)定性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種導(dǎo)電聚合物復(fù)合電極材料制備方法，屬于超級(jí)電容器電極用材料領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
超級(jí)電容器是一種介于靜電電容器和化學(xué)電源之間的新型儲(chǔ)能元件，其與傳統(tǒng)的電容器和蓄電池相比，具有高比容量、高功率密度、長的使用壽命及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于工業(yè)、通信、軍事和電動(dòng)汽車等眾多領(lǐng)域。目前，超級(jí)電容器常用的電極材料主要有三種：碳材料(具有高比表面積)、導(dǎo)電聚合物材料和金屬氧化物材料。碳材料(例如石墨烯、碳納米管、活性炭等)作為雙電層電容的代表，可獲得高的循環(huán)壽命，但其能量密度低。導(dǎo)電聚合物作為一種法拉第贗電容電極材料，與碳材料相比可獲得較高的能量密度，但其在多次充放電以后仍存在循環(huán)壽命不高、離子傳輸較慢等缺點(diǎn)。近年來，將導(dǎo)電聚合物與碳材料進(jìn)行復(fù)合制備法拉第贗電容/雙電層電容復(fù)合電極材料成為研究熱點(diǎn)。導(dǎo)電聚合物/石墨烯復(fù)合電極材料以其優(yōu)異的電化學(xué)性能在超級(jí)電容器方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。目前，導(dǎo)電聚合物/石墨烯復(fù)合電極材料的研究已具備良好的研究基礎(chǔ)(KashaniH,ChenLY,ItoY,HanJH,HirataA,ChenMW.Bicontinuousnanotubulargraphene–polypyrrolehybridforhighperformanceflexiblesupercapacitors.NanoEnergy2016；19:391-400.LiaY,LouarnbG,AubertcP,Alain-RizzoaV,GalmicheaL,AudebertaP,etal.Polypyrrole-modifiedgraphenesheetnanocompositesasnewefficientmaterialsforsupercapacitors.Carbon2016；105:510-20.WuZS,ParvezK,LiS,YangS,LiuZY,LiuSH,etal.Alternatingstackedgraphene-conductingpolymercompactfilmswithultrahigharealandvolumetriccapacitancesforhigh-energymicro-supercapacitors.AdvMater2015；27:4054-61.)但由于石墨烯與導(dǎo)電聚合物中復(fù)合過程中，石墨烯本身的結(jié)構(gòu)缺陷問題、石墨烯的團(tuán)聚問題等仍是制約其能量密度的主要因素。因此，如何提高石墨烯的氧化還原活性，彌補(bǔ)其結(jié)構(gòu)缺陷，并解決其在復(fù)合材料中的分散問題仍需進(jìn)一步研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決以上問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備方法，將氨基蒽醌類電活性分子共接枝在二維石墨烯與一維碳納米管表面，賦予石墨烯良好氧化還原活性的同時(shí)，提高其在復(fù)合材料中的分散性。其次，將二維石墨烯片與一維碳納米管的復(fù)合接枝結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電聚合物進(jìn)行復(fù)合，獲得具有優(yōu)異電化學(xué)活性的三維網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料，此種方法國內(nèi)外尚未見報(bào)道。為了實(shí)現(xiàn)上述的專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是由石墨烯片層與碳納米管構(gòu)筑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電聚合物以顆粒的形式生長在石墨烯片與碳納米管的表面，該復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的超電容特性。其中，碳納米管的尺寸為20-40nm，石墨烯片層尺寸為1-2μm。一種蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備方法，步驟如下：步驟(1)將二氨基蒽醌加入至乙醇中，溶解后形成溶液；所述的二氨基蒽醌為1,4-二氨基蒽醌，2,6-二氨基蒽醌，1,5-二氨基蒽醌，1,2-二氨基蒽醌中的一種；二氨基蒽醌的濃度為1-20g/L。步驟(2)將氧化石墨烯、環(huán)氧化碳納米管加入乙醇中，攪拌并超聲分散均勻，形成氧化石墨烯-環(huán)氧化碳納米管分散液；分散液的濃度為0.5-10g/L；氧化石墨烯與環(huán)氧化碳納米管的質(zhì)量比為4:1-1:4。步驟(3)、將步驟(2)形成的氧化石墨烯-環(huán)氧化碳納米管分散液加入步驟(1)的溶液中，于70-90℃回流24-48h，用乙醇和水反復(fù)清洗后，離心得到蒽醌分子共接枝碳。步驟(4)、將由步驟(3)得到的蒽醌分子共接枝碳分散至水中形成分散液；分散液的濃度為0.5-3g/L。步驟(5)、將導(dǎo)電聚合物單體、摻雜劑、氧化劑依次加入步驟(4)所得分散液中，混合均勻，在攪拌條件于0-30℃反應(yīng)12-24h，產(chǎn)物用去離子水反復(fù)清洗，并于真空干燥箱內(nèi)干燥，得到蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。所述的導(dǎo)電聚合物單體為是苯胺、間苯二胺、吡咯、3,4-乙撐二氧噻吩中的一種；所述的摻雜劑為聚苯乙烯磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、對(duì)苯二甲酸、1-芘丁酸、1,5-萘二磺酸中的一種；所述的氧化劑為三氯化鐵、過硫酸銨、過硫酸鉀或者1-丁基-3-甲基咪唑四氯化鐵鹽。蒽醌分子共接枝碳與導(dǎo)電聚合物單體的質(zhì)量比為1:20-1:1，導(dǎo)電聚合物單體與摻雜劑的摩爾比為4:1-1:2，導(dǎo)電聚合物單體與氧化劑的摩爾比為1:1。本專利技術(shù)針對(duì)目前導(dǎo)電聚合物/石墨烯復(fù)合電極材料存在的石墨烯團(tuán)聚的問題，將一維的碳納米管利用蒽醌類電活性分子作為媒介共接枝于石墨烯納米片上，與導(dǎo)電聚合物原位復(fù)合后制備得到三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，可用作超級(jí)電容器電極材料。本專利技術(shù)的積極效果如下：1、利用蒽醌電活性分子作為媒介將石墨烯納米片與碳納米管連接，共接枝結(jié)構(gòu)的豐富的含氧基團(tuán)可誘導(dǎo)導(dǎo)電聚合物聚合物在其附近聚合，獲得三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可提供優(yōu)異的離子傳輸能力，導(dǎo)電聚合物及蒽醌電活性分子的引入，有利于復(fù)合電極材料電化學(xué)性能的提高。2、本專利技術(shù)制備的蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合電極材料可獲得較高功率及能量密度，并保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性，作為超級(jí)電容器電極材料具有良好的應(yīng)用前景。3、本專利技術(shù)制備方法及設(shè)備簡單、操作容易，容易擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)。附圖說明圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的SEM照片，采用JSM-5610型掃描電鏡(日本JEOL公司)進(jìn)行測試，樣品在測試前鍍鉑金。由SEM圖像可見，復(fù)合材料呈現(xiàn)出石墨烯片層與碳納米管構(gòu)筑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電聚合物則以顆粒的形式生長在石墨烯片與碳納米管的表面，碳納米管的尺寸為20-40nm，石墨烯片層尺寸為1-2μm。圖2.為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的循環(huán)伏安曲線(電解液：1MH2SO4，掃速＝10mV/s)。由圖2可見，復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的超電容特性，其電位窗口可拓寬至1.7V。圖3.為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的充放電曲線(電解液：1MH2SO4，電流密度＝2A/g)。從圖3可知，實(shí)施例1制備的復(fù)合材料的比電容可根據(jù)：計(jì)算，其中Cm為比電容，I為放電電流，△t為放電時(shí)間，m為活性物質(zhì)的質(zhì)量，△v為放電過程中的電壓降，計(jì)算得到實(shí)施例1制備的復(fù)合材料的比電容則可達(dá)440F/g。具體實(shí)施方式以下通過具體的實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)的上述內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。但不應(yīng)將此理解為本專利技術(shù)的內(nèi)容僅限于下述實(shí)例。實(shí)施例1一種蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟如下：(1)將1g1,4-二氨基蒽醌((購自上海將來實(shí)業(yè)有限公司))加入本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，其特征在于，是由石墨烯片層與碳納米管構(gòu)筑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電聚合物以顆粒的形式生長在石墨烯片與碳納米管的表面，該復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的超電容特性；其中，碳納米管的尺寸為20?40nm，石墨烯片層尺寸為1?2μm。

【技術(shù)特征摘要】
1.蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，其特征在于，是由石墨烯片層與碳納米管構(gòu)筑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電聚合物以顆粒的形式生長在石墨烯片與碳納米管的表面，該復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的超電容特性；其中，碳納米管的尺寸為20-40nm，石墨烯片層尺寸為1-2μm。2.權(quán)利要求1所述的蒽醌分子共接枝碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟如下：(1)、將二氨基蒽醌加入至乙醇中，溶解后形成溶液；(2)、將氧化石墨烯、環(huán)氧化碳納米管加入乙醇中，攪拌并超聲分散均勻，形成氧化石墨烯-環(huán)氧化碳納米管分散液；(3)、將步驟(2)形成的氧化石墨烯-環(huán)氧化碳納米管分散液加入步驟(1)的溶液中，于70-90℃回流24-48h，用乙醇和水反復(fù)清洗后，離心得到蒽醌分子共接枝碳；(4)、將由步驟(3)得到的蒽醌分子共接枝碳分散至水中形成分散液；分散液的濃度為0.5-3g/L；(5)、將導(dǎo)電聚合物單體、摻雜劑、氧化劑依次加入步驟(4)所得分散液中，混合均勻，在攪拌條件于0-30℃反應(yīng)12-24h，產(chǎn)物用去離子水反復(fù)清洗，并于真空干燥箱內(nèi)干燥，得到蒽醌分子...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：韓永芹，申明霞，曾少華，陸鳳玲，張澤潔，薛逸嬌，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：河海大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32