一种PEDOT:PSS复合纳米片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种由PEDOT:PSS和科琴黑组成的PEDOT:PSS复合纳米片及其制备方法，由其制成的薄膜电极，以及包含所述薄膜电极的超级电容器。本申请提供的电极材料，其表面具有孔隙结构，有利于离子扩散，提高了电极材料的交流电路滤波性能，使输出电压信号更加稳定；所制备的超级电容器作为滤波电容器使用时，呈现了出色的滤波性能。且面积比容量相比现有商业铝电解电容器面积比容量有数量级的提高，因此与相同容量的铝电解电容相比有明显的体积优势。相同容量的铝电解电容相比有明显的体积优势。相同容量的铝电解电容相比有明显的体积优势。

【技术实现步骤摘要】
一种PEDOT:PSS复合纳米片及其制备方法和应用


[0001]本申请属于化学电容
，具体涉及一种PEDOT：PSS复合纳米片，其制备方法，以及在交流线路滤波电容器中的应用。

技术介绍

[0002]滤波电容器是电子产品和电源设备中重要的电子元件。作为一种广泛商用的滤波电容器，铝电解电容由于其相对较低的比容量，在集成电路中往往是体积最大的电子元件，这限制了整体电路的小型化和平面化发展。超级电容器具有更高的比容量，作为滤波电容使用，有利于器件整体的小型化。因此，发展高比容量，且适合滤波应用的电极材料成为关键。
[0003]与储能用超级电容器不同，滤波应用中需要超级电容器具有对不同频率电流优异的响应能力。这就要求电极材料具备出色的离子/电子导电性，同时避免材料内部复杂的孔隙结构对电解质离子传输的影响。由于常规的电极材料（如目前商用的活性炭）内部含有复杂的孔隙结构，这些结构对提高材料比表面积和增加电极材料比容量非常有益，但会限制离子传输并阻碍材料对高频电流的频率响应能力。因此，为满足超级电容器的滤波应用，需要设计新型的电极材料，以平衡材料比容量和电流频率响应性之间的矛盾。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本申请的目的是提出一种全新的复合纳米片电极材料及其制备方法，使得所制PEDOT:PSS复合纳米片表面具有孔隙结构，有利于离子传输；并且还具有二维材料高比表面积的特点，具备优异的导电性。
[0005]为实现本申请的目的，提供以下技术方案。
[0006]在第一方面，本申请提供一种PEDOT:PSS复合纳米片，由PEDOT:PSS和科琴黑组成。
[0007]所述科琴黑为一种高导电炭黑，粒径为5~100 nm，所述科琴黑可包含M元素掺杂，M为N、S、P、O中的至少一种元素。
[0008]所述PEDOT:PSS为聚3,4
‑
乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐。在优选的实施方式中，所述PEDOT:PSS复合纳米片中两种组分质量比科琴黑:(PEDOT:PSS)为0.05~2。
[0009]在优选的实施方式中，所述PEDOT:PSS复合纳米片厚度为0.01~1 μm。
[0010]在第二方面，本申请还提供了上述PEDOT:PSS复合纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将固含量为13 %的PEDOT:PSS水溶液和二甲基亚砜（简称：DMSO）按照体积比DMSO : (PEDOT:PSS)=1:1~15:1的比例混合，形成混合溶液；（2）向所述混合溶液中加入科琴黑，采用超声处理0.5~2h，使科琴黑在混合溶液中均匀分散，形成悬浊液；（3）将所述悬浊液加入密封反应器中，并将其放置于烘箱中，控制反应温度为90 ℃~150 ℃，反应时间为2~24 h，待反应结束后，将所述密封反应器冷却至室温，取出固体产
物，采用去离子水清洗，以去除残余的DMSO，得到所述PEDOT:PSS复合纳米片。
[0011]优选的，步骤（1）所述DMSO : (PEDOT:PSS)的体积比为5:1~10:1。
[0012]优选的，步骤（2）所述超声处理时间为1~1.5 h，所述科琴黑与PEDOT:PSS的质量比为0.05~2，优选0.1~1，所述科琴黑粒径为5~20 nm。
[0013]优选的，步骤（3）所述反应温度为100 ℃~130 ℃，反应时间为10~20 h。
[0014]在第三个方面，本申请提供了一种薄膜电极，所述薄膜电极由所述PEDOT:PSS复合纳米片制成。
[0015]在第四个方面，本申请提供了上述薄膜电极的制备方法，包括：（a）将所述PEDOT:PSS复合纳米片置于去离子水中，随后对其进行超声处理，时间为0.5~2 h，得到含有所述PEDOT:PSS复合纳米片的悬浊液；（b）取上述含有PEDOT:PSS复合纳米片的悬浊液，浓度为0.1~10 mg
·
mL
‑1，倒入铺有滤纸的砂芯漏斗并进行抽滤，得到厚度为0.05~2 μm的薄膜电极。
[0016]优选地，为避免所述PEDOT:PSS复合纳米片透过滤纸，所使用的滤纸是孔径为220 nm的疏水滤纸。
[0017]优选的，步骤（a）所述超声时间为0.2~1 h。
[0018]优选的，步骤（b）所述含有复合纳米片的悬浊液浓度为0.2~5 mg
·
mL
‑1。制备得到的薄膜电极厚度为0.1~1 μm。
[0019]在第五个方面，本申请提供了包含上述薄膜电极的超级电容器。
[0020]在优选的实施方式中，所述超级电容器是滤波电容器。
[0021]本申请具有如下有益效果：（1）本申请制备的PEDOT:PSS复合纳米片由一维PEDOT:PSS纳米纤维和零维科琴黑纳米颗粒构成，是一种由低微材料构成的二维纳米片，通过控制步骤（1）中PEDOT:PSS水溶液和二甲基亚砜的体积比，能够很好地获得厚度可控的PEDOT:PSS复合纳米片，使其厚度控制在0.01~1 μm。这种纳米结构设计为电极材料提供了丰富的、可直接与电解液接触的表界面，促进了电子在材料表面存储，提高了电极材料比容量。
[0022]（2）本申请提供的电极材料，其材料表面具有孔隙结构，有利于离子扩散，提高了电极材料的交流电路滤波性能，使输出电压信号更加稳定。
[0023]（3）本申请提供的薄膜电极所制备的超级电容器作为滤波电容器使用时，呈现了出色的滤波性能。所制备的超级电容器，在120 Hz交流电时面积比容量高达3.09 mF
·
cm
‑2，对应相角为80.3
°
，相比现有商业铝电解电容器面积比容量有数量级的提高，因此与相同容量的铝电解电容相比有明显的体积优势。
[0024]（4）本申请提供的薄膜电极制备的超级电容器，在频率范围为1~104 Hz的交流电路中展现出卓越的滤波性能，彰显其适用于宽频率应用领域。
附图说明
[0025]图1为本申请实施例1所制备的PEDOT:PSS复合纳米片形貌和薄膜电极的截面信息；图2为基于实施例1所制备薄膜电极组装的超级电容器的电化学阻抗图谱；图3为基于实施例1所制备薄膜电极组装的超级电容器的波特图谱；
图4为基于实施例1所制备薄膜电极组装的超级电容器与商用铝电解电容的实物对比图。
[0026]具体实施例方式下面结合具体实施方式对本申请作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得或根据文献制备而得。其中，本专利技术中使用的PEDOT:PSS市售获得，商品名称为PEDOT:PSS，以下实施例中使用的型号为Clevios PH1000。
[0027]以下实施例中：样品形貌信息通过EISS
‑
Sigma 300场发射电子显微镜完成。
[0028]电化学阻抗测试及波特图谱使用电化学工作站CHI760D完成。
[0029]滤波性质测试使用Agile本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PEDOT:PSS复合纳米片，由PEDOT:PSS和科琴黑组成。2.根据权利要求1所述的PEDOT:PSS复合纳米片，其中，所述科琴黑的粒径为5~100 nm。3.根据权利要求1所述的PEDOT:PSS复合纳米片，其中，科琴黑:(PEDOT:PSS)的质量比为0.05~2。4.根据权利要求1所述的PEDOT:PSS复合纳米片，其中，所述PEDOT:PSS复合纳米片厚度为0.01~1 μm。5.权利要求1
‑
4中任一项所述的PEDOT:PSS复合纳米片的制备方法，包括以下步骤：（1）将固含量为13 %的PEDOT:PSS水溶液和二甲基亚砜按照体积比DMSO : (PEDOT:PSS)=1:1~15:1的比例混合，形成混合溶液；（2）向所述混合溶液中加入科琴黑，采用超声处理0.5~2h，使科琴黑在混合溶液中均匀分散，形成悬浊液；（3）将所述悬浊液加入密封反应器中，并将其放置于烘箱中，控制反应温度为90 ℃~150 ℃，反应时间为2~24 h，待反应结束后，将所述密封反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霄鹏，赵苗苗，李瑞歌，王昕阳，王丽霞，
申请(专利权)人：河南农业大学，
类型：发明
国别省市：