一种制备石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备石墨纸/碳纳米管‑石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法，属于电极材料技术领域。技术方案是：将石墨烯和碳纳米管高分散在奶粉溶液中，配制成稳定的悬浮液，采用电泳沉积法将石墨烯和碳纳米管交叉层叠构筑在其表面，通过电泳，奶粉包裹涂覆在石墨烯和碳纳米管上；经真空高温碳化处理实现松散纳米粉体接连，制备活性碳粘结的具有三维空间导通网络结构的石墨纸/碳纳米管‑石墨烯；用微波辅助聚合法获得石墨纸/碳纳米管‑石墨烯/聚苯胺柔性电极。本发明专利技术获得的电极，具有高的电化学性能和机械性能，实现在纳米复合层表面可控均匀负载聚苯胺，进一步提高比电容，原位固结层次孔结构，实现高比容量的柔性薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法，属于电极材料

技术介绍
超级电容器作为一种新型绿色储能器件，已经成为解决世界所面临的能源，资源和环境等重大问题的最有潜力的电化学储能装置之一。世界著名科技期刊《探索》杂志曾将超级电容器列为世界七大技术发现之一，认为它是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代蓄电池。开发具有高能量密度、高功率密度和长寿命的超级电容器在国防、航空航天、汽车工业、消费电子、电子通讯、电力和铁路等领域有着十分广阔的应用前景，对于减轻环境污染，促进人类社会的可持续性发展有着深远的影响。目前，随着生活水平的不断提高，人们对可穿戴及便携式电子产品（如柔性显示器、电子书、平板电脑、超薄智能手机等）的需求与日俱增，然而用于驱动这些电子产品的电源（柔性超级电容器）的发展仍不健全，在一定程度上影响和制约了产品的大规模量产。因此，发展超级电容器可控制备新策略，开发具有柔性、轻质、低成本且高性能（高能量密度、高功率密度及优异循环稳定性）的超级电容器越来越显示出其潜在的市场价值，成为当今储能研究领域的重点与热点。电极材料是决定超级电容器性能好坏和能否大规模生产的关键性因素之一。在传统超级电容器中，电极材料通常粘接在一个导电的收集极上。收集极一般采用导电性良好的金属材料（如泡沫镍、不锈钢网、钛箔等）。但金属材料本身质硬、屈服强度高、易疲劳损伤且质量笨重（密度大）。此外因长期浸泡在电解液中很容易腐蚀，从而影响电极的使用范围和寿命。因此，用它们作为柔性轻质的超级电容器收集极存在着极大的缺点。纵观各种材料，石墨纸因其具有良好的导电性，优异的机械性能和柔韧性，以及轻盈的质量（密度小），成为制备柔性超级电容器电容收集极的首选材料。石墨烯，从2004年被发现后，因其独特的二维结构和优异的物化特性被认为是一种极为理想的电极材料。而具有制备条件温和、可大规模制备和优异的机械强度的石墨烯纸更是在柔性超级电容器领域显示出巨大的应用潜能。但是，在石墨烯纸中，石墨烯片间的π-π相互作用和范德华力通常会使它们发生严重的团聚和堆叠，致使石墨烯纸的比表面积变小，紧凑的结构会阻碍电解液的扩散，导致其电容性能并不理想。这一缺陷极大地阻碍了其在高性能柔性超级电容器电极方面的应用。为了克服这种缺陷，研究者们提出了在石墨烯纳米片之间引入孔洞或者对石墨烯片之间进行隔离（加入炭黑、碳纳米纤维、碳纳米管、过渡金属氧化物以及导电聚合物来做“垫片”）。研究发现，这些孔洞和“垫片”的引入能够有效阻止石墨烯纳米片之间的堆叠，增大其比表面积、促进电解液的扩散，电极表现出了优异的速率特性。尤其活性赝电容材料的引入更是提高了电极的比容量和能量密度。然而，需要指出的是，通过这些方法制备出的复合电极的柔韧性和导电性却被大大降低，无法满足实际生产要求。近年来，除了将石墨烯制备成二维宏观的柔性纸状电极外，越来越多的研究者注意到了由石墨烯纳米片通过自组装或模板法构建的具有三维宏观结构的重要性。由于结合了碳材料三维多孔分级结构的优良特性，这些具有微孔、介孔和大孔网络结构的三维宏观结构，可以实现大的比表面积、轻盈的质量和快速的电子/离子传输路径。将柔性的三维石墨烯基宏观结构用于柔性超级电容器，它会扮演电极材料和电流收集极的双重角色。但目前的研究表明，石墨烯构建的三维宏观结构在制作柔性超级电容器电极方面还存在着缺陷。石墨烯片之间的微弱连接使得其导电性和柔韧性较差，从而影响作为柔性电极的性能。因此，实现石墨烯片之间的充分交联是柔性电极产业化应用的挑战之一。聚苯胺由于其高的理论容量、低成本、易于制备、柔韧性及环境友好等优点，被认为是最具应用潜力的柔性超级电容器的赝电容材料。但是，低的电导率和聚合物长链的不稳定性制约了聚苯胺高电化学性能的获得。为了提高聚苯胺基电极的导电性和稳定性，聚苯胺/石墨烯复合纳米结构常被用来构建大规模的能量存储系统。另外，为了实现大容量的超级电容器的实际应用（如混合动力汽车等），提高聚苯胺的负载量是非常必要的。但是，高负载量常常导致低的比容量和低的能量密度，这是因为厚的聚苯胺紧密堆积层使得电解质离子很难或根本不能在较快的时间内接近氧化还原活性中心，也就无法参与电化学储能。因此，如果能制备出分散性好且具有丰富多级孔结构的纳米尺寸聚苯胺电活性材料，其电化学储能能力无疑会得到大幅提高，从而达到工业生产的要求。综上所述，石墨纸在制备柔性超级电容器电极方面发挥着不可替代的作用，而构建石墨烯三维宏观结构更是一个开发高性能柔性超级电容器电极材料的热门话题。这些三维的宏观构造所提供的内部互联结构，不仅为电子快速地传输到收集极提供了导电通道，而且缩短了电解液离子扩散到电极内部表面的距离。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法，以石墨纸为基底，采用电泳沉积法将高分散在奶粉溶液中的石墨烯和碳纳米管交叉层叠构筑在其表面，经真空高温碳化处理实现松散纳米粉体接连，制备活性碳交联的具有三维空间导通网络结构的石墨纸/碳纳米管-石墨烯，最后用微波辅助聚合法获得石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性电极，具有高的电化学性能和机械性能，解决
技术介绍
存在的上述问题。一种制备石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法，包含如下步骤：将石墨烯和碳纳米管高分散在奶粉溶液中，配制成稳定的悬浮液，采用电泳沉积法将石墨烯和碳纳米管交叉层叠构在其表面，通过电泳，奶粉包裹涂覆在石墨烯和碳纳米管上；经真空高温碳化处理实现松散纳米粉体接连，制备活性碳交联的具有三维空间导通网络结构的石墨纸/碳纳米管-石墨烯；最后用微波辅助聚合法获得石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性电极。在此复合材料中，石墨纸的优异柔韧性、导电性及化学稳定性为电极的机械性能和电化学稳定性提供保障。经真空高温碳化处理实现松散纳米粉体接连，制备活性碳交联的石墨纸/碳纳米管-石墨烯，大大增强了石墨纸、碳纳米管、石墨烯之间构建的三维宏观结构的导电性和机械性能。其中，碳纳米管一方面充当着石墨烯片之间的“垫片”，提高其比表面积利用率；另一方面充当着导电“桥梁”，通过活性碳有效交联被隔离的石墨烯片，实现电子在电极中无间断的传输。采用微波辅助原位聚合法均匀负载纳米聚苯胺合成石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性复合电极。在此程中，分散性好且具有丰富多级孔结构的纳米尺寸聚苯胺电活性材料不但可以进一步固定复合材料的结构，增加其柔韧性，而且对于提高复合材料的比容量、倍率特性和循环稳定性也至关重要。因此，活性碳交联的三维空间导通网络结构的石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性电极将具有高的电化学性能和机械性能。本专利创新点：（1）采用柔韧性好、导电性优异、热稳定性和化学稳定性高及价格便宜的石墨纸作为基底，为制备机械性能优良、电化学稳定性好的复合柔性电极提供了保障；（2）基于活性碳前驱物的选择，设计并制备活性碳粘结的具有三维空间导通网络结构的石墨纸/碳纳米管-石墨烯，实现石墨纸、碳纳米管、石墨烯片之间的充分交联；（3）对具有高比表面积、高电子传导性、丰富三维多级孔道及纳米聚苯胺的均匀负载的石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备石墨纸/碳纳米管‑石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法，其特征在于包含如下步骤：将石墨烯和碳纳米管高分散在奶粉溶液中，配制成稳定的悬浮液，采用电泳沉积法将石墨烯和碳纳米管交叉层叠构在其表面，通过电泳，奶粉包裹涂覆在石墨烯和碳纳米管上；经真空高温碳化处理实现松散纳米粉体接连，制备活性碳交联的具有三维空间导通网络结构的石墨纸/碳纳米管‑石墨烯；最后用微波辅助聚合法获得石墨纸/碳纳米管‑石墨烯/聚苯胺柔性电极。

【技术特征摘要】
1.一种制备石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法，其特征在于包含如下步骤：将石墨烯和碳纳米管高分散在奶粉溶液中，配制成稳定的悬浮液，采用电泳沉积法将石墨烯和碳纳米管交叉层叠构在其表面，通过电泳，奶粉包裹涂覆在石墨烯和碳纳米管上；经真空高温碳化处理实现松散纳米粉体接连，制备活性碳交联的具有三维空间导通网络结构的石墨纸/碳纳米管-石墨烯；最后用微波辅助聚合法获得石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性电极。2.根据权利要求1所述的一种制备石墨纸/碳纳米管-石墨烯/聚苯胺柔性复合电极的方法，其特征在于：采用柔性石墨纸为基底，配制高分散的石墨烯与碳纳米管的悬浮奶粉溶液进行电泳沉积；将石墨纸作为一电极，与辅助电极一起浸入混合悬浮液中，保持间距；在两电极间施加直流电场，石墨烯与碳纳米管在石墨纸上发生电泳沉积，形成纳米级三维网络结构；然后，将石墨纸/碳纳米管-石墨烯复合材料放入真空微蒸发镀膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金辉，
申请(专利权)人：唐山学院，
类型：发明
国别省市：河北;13