[发明专利]一种石墨烯/MnO2/共轭聚合物复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料制备领域，具体涉及一种石墨烯/MnO₂/共轭聚合物复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济的快速发展和人口的急剧增长，人类所依靠的资源和能源日益枯竭，开发经济、高效的新能源是当今世界解决这些问题的重要课题。一方面，人们大力开发风能、太阳能、海洋能以及核能。另一方面，科学工作者们正积极开发节能、高效储能新设备。

超级电容器即电化学电容器，是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和二次电池之间的新型储能元件。超级电容器的出现使得电容器的电容达到法拉级别，是传统电容器的20~200倍。其具有比功率高、能量密度大、充放电时间短和循环寿命长等优点，弥补了二次电池功率低、寿命短以及传统电容器能量密度低的缺点。另外，超级电容器的工作温度范围宽、安全和对环境无污染的特点，使其称为现代新型，实用的储能元件，具有非常广泛的应用前景。

为了保证超级电容器拥有良好的电化学性能，所选择的电极材料必须容易在电极与电解液的界面产生较高的双电层电容或者法拉第准电容，并且拥有较好的力学性能和电子、离子导电性。在超级电容器的发展历程中，人们使用了各种不同的电极材料，主要分为如下三类：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。

单一组分的材料用作超级电容器存在比电容不高、能量密度低或者循环稳定性差等缺点，如，碳材料的比电容相对较低，MnO₂的导电率较低，导电聚合物的循环稳定性较差。为了弥补以上缺陷，二元或者三元复合材料用作电容器研究越来越广泛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/MnO₂/共轭聚合物复合材料及其制备方法和应用，该方法所需的原料廉价，制备方法简单，所制备的三元复合材料比电容高，具有良好的导电性，可以用作高比电容量、高比能量的超级电容器复合电极。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯/MnO₂/共轭聚合物复合材料，其特征在于：共轭聚合物和MnO₂纳米粒子均匀分布在石墨烯片层表面和片层之间。

一种制备如上所述的石墨烯/MnO₂/共轭聚合物复合材料的方法包括以下步骤：

（1）采用改进的Hummer方法制备氧化石墨：在冰浴条件下，向250mL的圆底烧瓶中依次加入浓硫酸和浓磷酸，在温度为0℃搅拌，缓慢加入0.5~2g天然鳞片石墨，然后分批加入4~8g高锰酸钾，升温至40~60℃反应8~12h；停止反应，冷却到室温，缓慢加入270~330mL含有8~12mL 质量分数为25~35% 的H₂O₂溶液，过滤，用质量分数为3~7%的盐酸洗涤2~4次，再用去离子水洗涤2~4次，最后以3500~4500转/秒离心7~13min，除去上层溶液，真空干燥，得到氧化石墨；

（2）石墨烯/MnO₂复合物的制备：将氧化石墨加入到去离子水中，超声60~100min，得到均匀分散的氧化石墨悬浮液，氧化铟锡导电玻璃分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，晾干待用；将氧化石墨悬浮液均匀涂覆在氧化铟锡导电玻璃上，面积为0.5~1.5cm²，常温下干燥；以涂覆氧化石墨的氧化铟锡导电玻璃为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，0.02~0.1mol/L Mn(CH₃COO)₂与0.1mol/L Na₂SO₄的混合溶液作为电解质，电压范围为-1.5~0 V，扫描速率为20~100mV/s下，循环伏安扫描10~20圈；

（3）石墨烯/MnO₂/共轭聚合物复合材料的制备：配制0.05~0.15mg/mL的聚{3,6-二乙烯基-N-丁基咔唑-2,5-二辛氧基苯}的氯仿溶液，将所配溶液涂覆在工作电极上，重复几次，然后真空干燥，随着涂覆次数的不同，分别制备聚合物为1~10%的石墨烯/MnO₂/共轭聚合物复合材料。

步骤（1）中浓硫酸与浓磷酸的体积比为9:1。

步骤（2）中氧化石墨悬浮液的浓度为1.5mg/mL。

一种如上所述的石墨烯/MnO₂/共轭聚合物复合材料的应用于超级电容器复合电极材料。