一种石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法。包括以下步骤：(1)将聚苯胺用去离子水清洗、晾干，得到A品；(2)将A品加入有机溶剂中，超声分散，磁力搅拌，得到B品；(3)将氧化石墨烯加入B品中，在‑3～5℃下超声分散后，然后在磁力搅拌的条件下逐滴加入去离子水，获得氧化石墨烯和聚苯胺复合凝胶，即C品；(4)将C品制备成纤维状电极材料，经过化学还原或热还原，真空干燥，获得纤维电极材料。本发明专利技术解决了聚苯胺与石墨烯复合过程中聚苯胺容易团聚和石墨烯片层易致密堆叠的问题，大大地提高了电极材料的电化学性能，且该方法具有操作简单易行、成本低廉、易于规模化制备的有益效果。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种复合电极材料的制备方法，特别是一种石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法。
技术介绍
随着化石燃料的日渐减少，人们迫切需要寻找能够替代化石燃料的新能源。在利用新能源的过程中，能量的存储与转化就显得十分重要，超级电容器和电池等储能器件由此得到了科学家们的广泛研究。对储能器件来说，电极材料对离子的存储以及电导率对储能器件性能影响较大，石墨烯由于其巨大的比表面积和高的电导率使得其成为储能材料最具潜力的材料之一，然而石墨烯的理论比电容比较低(550Fg-1)，且其片层间强烈的π-π相互作用使其容易发生片层严重堆叠，降低了电解液离子与石墨烯表面的接触面积，使得双电层电容减小，从而限制了石墨烯理论比电容的发挥。聚苯胺，是一种具有独特电化学活性、较强化学稳定性、成本低廉、制备方法简单的导电聚合物，其理论比电容值高达1284Fg-1，并且易于控制合成条件、微观结构可调，因此被广泛关注，然而，在电化学充放电过程中聚苯胺容易发生团聚而使得其电化学性能降低。因此，研究者们通常将石墨烯和聚苯胺进行复合，以综合石墨烯和聚苯胺各自的优良物理化学性质，同时，以石墨烯材料作为聚苯胺的支撑骨架，可防止聚苯胺的团聚，以聚苯胺作为石墨烯片层间的阻隔物，可避免石墨烯片层的致密堆叠。近年来，对石墨烯和聚苯胺电极材料的研究涉及多种制备方法，大致可概括为电化学聚合法、界面聚合法、原位复合法、物理混合法等。但是这些方法通常使聚苯胺停留在石墨烯片层表面，难以均相分散于石墨烯基材料之中，因而聚苯胺和石墨烯各自的优异特性难以充分发挥。在此，本专利技术通过采用共溶剂的方法，使石墨烯和聚苯胺能均相复合，最终获得了电化学性能优异的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法。本专利技术解决了聚苯胺与石墨烯复合过程中聚苯胺容易团聚和石墨烯片层易致密堆叠的问题，大大地提高了电极材料的电化学性能，且该方法具有操作简单易行、成本低廉、易于规模化制备的特点。本专利技术的技术方案：一种石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚苯胺用去离子水清洗、晾干，得到A品；(2)将A品加入有机溶剂中，超声分散，磁力搅拌，得到B品；(3)将氧化石墨烯加入B品中，在-3～5℃下超声分散后，然后在磁力搅拌的条件下逐滴加入去离子水，获得氧化石墨烯和聚苯胺复合凝胶，即C品；(4)将C品制备成纤维状电极材料，即D品，经过化学还原或热还原，真空干燥，获得电极材料。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述步骤(1)中的，聚苯胺为快速聚合法制备。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述步骤(2)中的，是按照比例将0.006～0.03gA品加入10mL有机溶剂中；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述步骤(2)中的，超声分散20～60min，磁力搅拌20～40min。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述步骤(3)中，C品中氧化石墨烯、聚苯胺和去离子水的质量比为20～100：1：1000～3000。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述步骤(3)中，在-3～5℃下超声分散1～2h。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述步骤(4)中，电极材料形状为纤维状。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述步骤(4)中，化学还原为氢碘酸还原、水合肼还原；所述氢碘酸还原是将氢碘酸加入D品中，在15～25℃下还原0.4～0.6小时，70～90℃条件下还原1.3～1.7小时；所述水合肼还原是在水合肼蒸气下还原22～26小时；所述热还原是在140～160℃下水热还原5～7h。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述步骤(4)中，真空干燥的温度为50-70℃，干燥时间为22-26h。前述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法中，所述石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料以聚乙烯醇和硫酸组成的凝胶作为电解质，组装超级电容器。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术采用有机溶剂对所制备得聚苯胺进行分散，在磁力搅拌的过程中，在剪切力和有机溶剂与聚苯胺氢键作用下，使得纤维状聚苯胺产生形核长大的过程，形成纳米针状的聚苯胺，本专利技术制备方法简单、环境友好，在超级电容器、电池等储能器件展示出巨大的应用潜力。2、具体的，本专利技术首先采用快速聚合法获得纤维状聚苯胺，再将获得的聚苯胺分散于有机溶剂中，使得聚苯胺和有机溶剂产生氢键相互作用，之后与氧化石墨烯复合形成氧化石墨烯和聚苯胺复合物，通过湿法纺丝技术获得氧化石墨烯和聚苯胺纤维，再进行还原，获得石墨烯和聚苯胺复合纤维，最后在高温真空条件下除去有机溶剂，即可获得具有良好分散的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极。实验证明：本专利技术方法制备的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极的电化学性能优良。申请人基于按照实施例制备的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极，构建了纤维型超级电容器，并对器件进行了性能测试。表1为本专利技术石墨烯和聚苯胺复合纤维电极和其它纤维电极材料的电化学性能的对比，结果表明，本专利技术获得的复合纤维电极的电化学性能处于较高水平。表1基于本专利技术石墨烯和聚苯胺复合纤维的纤维型超级电容器与其它石墨烯和聚苯胺复合纤维型超级电容器的电化学性能对比图1是本专利技术所制得的石墨烯和聚苯胺复合纤维编制于现有织物上的实物图，从图1中可以看出本专利技术获得的纤维具有良好的柔韧性，且其力学强度能够满足纺织过程对纤维力学强度的要求；图2是本专利技术所制得的石墨烯和聚苯胺复合纤维的扫描电子显微镜图，从图1可以清楚地看出纤维的直径大小为100微米；图3是本专利技术所制得的石墨烯和聚苯胺复合纤维的扫描电子显微镜图，从图3中可以看出针状的聚苯胺均匀地负载于石墨烯片层上；图4是基于本专利技术所制得的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极的超级电容器在扫速为2mVs-2时的循环伏安(CV)曲线图，从图4中可以看出明显的对应于聚苯胺的特征氧化还原峰，进一步说明了聚苯胺在电极材料中的成功负载。综上所述，本专利技术解决了聚苯胺与石墨烯复合过程中聚苯胺容易团聚和石墨烯片层易致密堆叠的问题，大大地提高了电极材料的电化学性能，且该方法具有操作简单易行、成本低廉、易于规模化制备的有益效果。附图说明图1是本专利技术所制得的石墨烯和聚苯胺复合纤维编制于现有织物上的实物图；图2是本专利技术所制得的石墨烯和聚苯胺复合纤维的扫描电子显微镜图；图3是本专利技术所制得的石墨烯和聚苯胺复合纤维的扫描电子显微镜图；图4是基于本专利技术所制得的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极的超级电容器在扫速为2mVs-2时的循环伏安(CV)曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明，但并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/n(1)将聚苯胺用去离子水清洗、晾干，得到A品；/n(2)将A品加入有机溶剂中，超声分散，磁力搅拌，得到B品；/n(3)将氧化石墨烯加入B品中，在-3～5℃下超声分散后，然后在磁力搅拌的条件下逐滴加入去离子水，获得氧化石墨烯和聚苯胺复合凝胶，即C品；/n(4)将C品制备成纤维状电极材料，即D品，经过化学还原或热还原，真空干燥，获得电极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将聚苯胺用去离子水清洗、晾干，得到A品；
(2)将A品加入有机溶剂中，超声分散，磁力搅拌，得到B品；
(3)将氧化石墨烯加入B品中，在-3～5℃下超声分散后，然后在磁力搅拌的条件下逐滴加入去离子水，获得氧化石墨烯和聚苯胺复合凝胶，即C品；
(4)将C品制备成纤维状电极材料，即D品，经过化学还原或热还原，真空干燥，获得电极材料。


2.根据权利要求1所述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的，聚苯胺为快速聚合法制备。


3.根据权利要求1所述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的，是按照比例将0.006～0.03gA品加入10mL有机溶剂中；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。


4.根据权利要求1所述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的，超声分散20～60min，磁力搅拌20～40min。


5.根据权利要求1所述的石墨烯和聚苯胺复合纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵姣婧，刘美丽，龙翔，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州;52