一种聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶，将碳化硅纳米线引入苯胺聚合体系中，在酸性和低温条件下还原聚苯胺并实现聚苯胺对碳化硅纳米线的原位包覆和复合。本发明专利技术所得复合气凝胶可有效限制聚苯胺的膨胀或收缩，并表现出较优异的导电性能；将其应用于制备超级电容器，可显著提升比电容和循环稳定性能等；且涉及的制备方法较简单、条件温和，环境友好，适合推广使用。适合推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于聚合物功能材料领域，具体涉及一种聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶及其制备方法和应用

技术介绍

[0002]气凝胶因其本身无毒，具有高孔隙率以及纳米网络骨架相互连接所形成的介孔结构，可表现出优异的隔热性能，在高速飞行器等军用、民用具有领域广泛的研究前景；进一步通过添加导电聚合物制备的导电水气凝胶，具有导电性强、结构强等优点。这些优异的性能使其在电子器件领域具有较好的应用前景。
[0003]超级电容器作为一种介于电池和传统电容器之间的新兴能量存储器件，主要通过电荷在电极与电解液界面吸附形成的双电层电容，或者在电极与电解液界面发生法拉第氧化还原反应产生的赝电容进行能量存储。与传统电容器相比，它具有高比电容特性；与电池相比，具有更高的功率密度、较快的充放电速率和更宽的使用温度范围等。根据电荷储存原理及方式的不同，超级电容器可以分为双电层电容器(EDLC)和法拉第赝电容器两类。超级电容器性能与电极材料的选择密切相关。目前，常用的电极材料主要有3种类型：具有高比表面积的碳纳米材料(碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯等)、金属氧化物(RuO2、IrO2、MnO2、NiO等)以及导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等)。
[0004]导电聚苯胺(PANI)具有易制备、优异的化学稳定性、大的电位窗口、高的比电容等优势，但是PANI在氧化还原反应时发生的掺杂/去掺杂过程会导致聚合物结构的膨胀和收缩，致使聚合物结构降解，进而降低电极材料的循环寿命。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有聚苯胺电极材料在超级电容器中应用存在的循环稳定性差等问题和不足，提供一种聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶电极材料，该电极材料比电容大，循环稳定性强，可有效增加电极的使用寿命；且涉及的制备方法较简单、条件温和，适合推广使用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0008]1)将碳化硅纳米线加入有机溶剂中，混合均匀得碳化硅纳米线分散液，然后向其中加入苯胺，混合均匀得溶液A；将氧化剂溶解在酸液中，混合均匀得溶液B；
[0009]2)将所得溶液A和溶液B分别进行预冷，并在冰浴条件下将溶液B加入到溶液A中，搅拌处理，至混合液变黑色，停止搅拌，并在低温条件下静置，形成凝胶；
[0010]3)将所得凝胶进行冰冻，冷冻干燥，即得所述聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶。
[0011]上述方案中，所述碳化硅纳米线的直径为100～600nm，长度为50～100μm。
[0012]上述方案中，所述有机溶剂可选用无水乙醇或乙二醇等。
[0013]上述方案中，所述碳化硅纳米线分散液中碳化硅纳米线的浓度为1.2～6mg/mL。
[0014]上述方案中，所述碳化硅纳米线、苯胺的质量比为(5～30):163。
[0015]上述方案中，所述酸液可选用盐酸或硫酸等。
[0016]上述方案中，所述氧化剂可选过硫酸铵、重铬酸盐、过氧化氢或氯化铁等。
[0017]上述方案中，所述步骤2)中引入苯胺、氧化剂、酸的摩尔比为1:(0.5～1):(0.5～2)。
[0018]上述方案中，所述预冷温度为10℃以下。
[0019]上述方案中，所述冰浴的温度为0～4℃。
[0020]上述方案中，所述搅拌处理时间为1～3h。
[0021]上述方案中，所述低温条件0～4℃，静置时间为24～48h。
[0022]上述方案中，所述冰冻温度为
‑
5～0℃，时间为12～24h；冷冻干燥温度为
‑
30～
‑
40℃，时间为12～24h。
[0023]根据上述方案制备的聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶，它包括由线性聚苯胺/碳化硅纳米线复合材料构成的三维框架体系，及复合填充在其中的颗粒状聚苯胺；所得复合气凝胶具有较好的机械性能和较大的比表面积，可有效限制聚苯胺的膨胀或收缩，并显著提升所得复合材料的导电性能。
[0024]将上述方案所述聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶应用于制备超级电容器电极，其比电容可达200F/g以上，循环1000次电容保持率为74％以上。
[0025]本专利技术将聚苯胺(PANI)与碳化硅纳米线(SiC)复合，制备纳米气凝胶，在PANI赝电容优势的同时，可有效限制PANI充放电过程中的结构膨胀和收缩，延长循环寿命；进一步提升复合材料的超级电容器性能。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0027]1)本专利技术将碳化硅纳米线引入苯胺聚合体系中，可实现聚苯胺在碳化硅纳米线表面的原位生长，并最终形成由线性聚苯胺/碳化硅纳米线复合材料构成的三维框架体系及复合填充在其中的颗粒状聚苯胺组成的复合气凝胶；可有效改善聚苯胺充放电过程中的结构膨胀和收缩等问题，延长循环寿；并进一步有效提升所得复合凝胶体系的导电性能；将其应用于制备超级电容器，可显著提升比电容和循环稳定性能等；
[0028]2)本专利技术采用的制备方法较简单、原料来源广、成本低，适合推广应用。
附图说明
[0029]图1为实施例1所得复合气凝胶的扫描电镜图；
[0030]图2为实施例1所得复合气凝胶的形貌图；
[0031]图3为对比例3所得产品的扫描电镜图。
[0032]图4为对比例4所得产品的扫描电镜图。
具体实施方式
[0033]本专利技术不局限于上述实施方式，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本专利技术的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0034]以下实施例中，采用的碳化硅纳米线；其直径为100～600nm，长度为50～100um。
[0035]实施例1
[0036]一种聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶，其制备方法包括如下步骤：
[0037]1)将6mg碳化硅纳米线加入到5mL无水乙醇中，搅拌超声得到均匀的碳化硅纳米线分散液，向碳化硅纳米线分散液中加入160uL苯胺(碳化硅纳米线与苯胺的质量比为6:163)，搅拌均匀形成溶液A；
[0038]2)将0.26g过硫酸铵均匀溶解在1mL浓度为1M的盐酸中形成溶液B；
[0039]3)将所得溶液A和所得溶液B预冷至10℃并在冰浴4℃环境下将溶液B加入到溶液A中，搅拌3h，至混合液变黑色，停止搅拌，并将得到的产物放于冰箱4℃条件下静置24h，形成凝胶；
[0040]4)将所得凝胶进一步在0℃冰冻24h，最后对冰冻的凝胶在冷冻干燥机
‑
35℃条件下干燥12h，即得所述聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶超级电容器电极材料。
[0041]图1为本实施例所得产物的扫描电镜图，可以看出聚苯胺均匀的生长在碳化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将碳化硅纳米线加入有机溶剂中，混合均匀得碳化硅纳米线分散液，然后向其中加入苯胺，混合均匀得溶液A；将氧化剂溶解在酸液中，混合均匀得溶液B；2)将所得溶液A和溶液B分别进行预冷，并在冰浴条件下将溶液B加入溶液A中，搅拌处理，至混合液变黑色；在低温条件下静置，形成凝胶；3)将所得凝胶进行冰冻，冷冻干燥，即得所述聚苯胺复合碳化硅纳米线气凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅纳米线的直径为100～600nm，长度为50～100μm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为无水乙醇或乙二醇。4.根据权利要求1所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：季家友，张佳杰，李亮，张贺贺，徐慢，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：