[发明专利]一种3D花瓣状石墨烯‑聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料及其制备领域，特别涉及一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器(也称电化学电容器)由于具有高功率密度、高循环稳定性，长循环寿命、低维修成本等优势，已经成为最具应用前景的储能器件，以满足日益增长的便携式电子设备、电动汽车的需要。一个典型的电容器通常包括电极、电解质、隔板、电流收集器四个部件。其中，电极是超级电容器最关键的部件，直接决定电容器的电容量和效率。因此，开发高效的活性电极材料是制备高性能的超级电容器的关键。

聚苯胺(PANI)由于其成本低、容易制备、环境稳定性好，导电性容易控制以及高理论电容量而成为一种非常有前景的赝电容器电极材料。但PANI在掺杂/去掺杂过程中会引起PANI膨胀和收缩，从而导致电极材料的塌陷，在长时间的循环过程中，比电容迅速衰减，电容器的循环寿命不高，这也是PANI电极材料商业应用的最主要障碍。作为一种2D单原子层厚度的碳材料，石墨烯具有高导电性、高比表面积和电荷传输能力，柔性和优异的机械性能，在双电层电容器电极材料方面有很大的应用潜力。然而，石墨烯片很容易聚集，使得石墨烯电极材料的比电容较低，同样不能单独作为电极材料使用。结合高能量密度的PANI与高功率密度、高稳定性的石墨烯两种电极材料的优异性能是目前设计高性能的超级电容器电极材料的一种趋势。近几年来，科研工作者对石墨烯基-PANI杂化材料作了广泛的研究。石墨烯功能化是一种降低石墨烯聚集,提高石墨烯在聚合物基体中分散性的有效方法。石墨烯功能化一方面可以提高石墨烯的溶解性和分散性，同时还可以赋予材料新的性能。制备石墨烯基-PANI杂化材料的方法有两种：一种是共价键方法，PANI接枝到石墨烯表面，另外一种是非共价键共混的方法。与非共价键方法相比，共价键作用力强于非共价键，可以有效地增强杂化材料中两种组分的相界面作用力，增强离子扩散和电荷传输能力，使得材料的电化学性能得到提高，同时这种共价键稳定的结合，可以大批量得到结构均一性电极材料，可以有效的缓解电极材料在充放电过程中的应力松弛，提高电极的寿命。氧化石墨烯(GO)表面丰富的含氧基团(羟基，羧基，环氧基团等)不但提高了GO的分散性和溶解性，并且这些含氧基团为共价键功能化提供了可能，GO也因此成为石墨烯最常见的功能化前驱体。在这些含氧基团中，目前使用的较多的是在石墨烯边缘的羧基功能化。Kumar等首先通过酰氯化和酯化反应得到的氨基功能化还原石墨烯，然后进行还原，在石墨烯表面原位聚合得到PANI接枝石墨烯复合材料，这种复合材料呈纳米纤维和纳米棒共存的不规则形态结构，在100mV s^-1的 扫描速率下，电极材料的比电容为250F g^-1(Kumar N A,Choi H J,Shin Y R,Chang D W,Dai L,Baek J B.ACS Nano，2012，6(2):1715-1723)。CN102532891A专利报道了一种石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合材料及其制备方法；复合材料是经过功能化处理后获得的石墨烯氧化物通过酰胺基团与导电聚合物进行化学键连接而得到的,通过对其的还原,提高了导电性能，将此复合材料作为电极材料应用于超级电容器结合其固有的结构稳定的特点,使其具有更高的电容量。但这些接枝材料大都局限在利用石墨烯周边的羧酸基团上，在加工和电极反应过程中不可避免地造成石墨烯片的摇摆和滑移。由于GO上羟基的惰性较大，到目前为止，很少有关于利用石墨烯基部平面上的羟基功能化和由此而得到的石墨烯-聚苯胺杂化材料的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法，该方法通过获得特定的3D花瓣状石墨烯-聚苯胺杂化材料，从而得到高比电容和优异的可逆稳定性和高循环寿命的超级电容器电极材料，该制备方法简单，成本低，适合于工业化生产。

本发明的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料，所述电极材料以氧化石墨烯为前躯体进行功能化，得到氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO，然后苯胺单体在ATRGO表面进行原位氧化聚合，冷冻干燥后，得到3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料。

本发明的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，包括：

(1)通过化学氧化法制备得到氧化石墨烯；