[发明专利]纳米管状结构的聚苯胺/石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，特别涉及一种纳米管状结构的聚苯胺/石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯（graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。它具有很大的比表面积、优异的导电性以及导热性、很高的力学强度等独特性质，可以广泛的应用于电池和超级电容器的电极材料，引起了科学家的巨大兴趣和关注。但是，石墨烯作为电极材料，具有低的比电容，同时，石墨烯及其氧化石墨烯在制备的过程中容易发生堆叠，影响了其在电解质中的分散性和表面浸润性，降低了材料的比较面积以及电导率。因此控制石墨烯的层间距是当前需要解决的主要课题。

聚苯胺是一种常见的导电聚合物，具有合成简单，成本低廉，大的比表面积，良好的环境稳定性以及很高的理论比电容，作为超级电容器电极材料具有很大的应用前景。但是独特的储能机理——掺杂和脱掺杂过程，使其在充放电过程中会发生体积变化从而导致比容量衰减较快和循环稳定性下降等缺点。

因此，通过将石墨烯和聚苯胺进行复合，聚苯胺在石墨烯的层间聚合，有效的阻碍了石墨烯的堆叠，同时石墨烯为聚苯胺提供了骨架，增强了自身的机械性能，所以制备的复合材料既可以兼顾石墨烯的高的电导率、高比表面积以及良好的机械性能，又可以兼顾聚苯胺的高的比电容。

用化学还原法制备的石墨烯，主要使用水合肼以及硼氢化钠作为还原剂（M.M. Sk, et al, Synthesis of graphene/vitamin C template-controlled polyaniline nanotubes composite for high performance supercapacitor electrode. Polymer 2014,55,798-805; K. Zhang, et al, Graphene/Polyaniline Nanofiber Composites as Supercapacitor Electrodes. Chem. Mater. 2010,22, 1392-1401; H.J. Shin, et al, Efficient reduction of graphite oxide by sodium borohydride and its effect on electrical conductance, Adv. Funct. Mater. 2009,19,1987-1992.），但是这些还原剂不仅有毒，对人体有害，而且需要在相对较高的温度下（90℃左右）才能充分发挥还原作用，同时制备工艺繁琐。因此，采用一种环保的以及反应条件温和的还原剂，对氧化石墨烯进行还原十分必要。本发明以维生素C作为模板，苯胺通过氢键自组装，经原位聚合后，以维生素C作为还原剂（利用维生素C较强的还原性）还原氧化石墨烯，一步制备具有纳米管状结构的聚苯胺/石墨烯复合材料。本发明中维生素C在反应过程中有两个作用：（1）苯胺以维生素C为模板进行氢键自组装，随后通过氧化聚合与氧化石墨形成管状结构的复合材料；（2）绿色还原剂维生素C能够对氧化石墨烯进行还原。本思路目前未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是利用维生素C的模板作用以及还原作用，提供一种一步制备具有纳米管结构及良好电化学性能的聚苯胺/石墨烯复合材料的方法。

具体步骤为：

(1)氧化石墨的制备

将3克石墨粉加入到盛有270毫升硫酸和30毫升磷酸混合液的圆底烧瓶中，搅拌20分钟，对石墨进行预氧化；然后分次向烧瓶中加入总量为18克的高锰酸钾，持续20分钟以上，用冰水浴控制反应温度不超过35℃，对石墨进行再氧化；1小时后，待体系温度稳定，设置反应温度为50℃，反应12小时，停止加热，待体系温度降至室温，逐滴加入100毫升蒸馏水，控制反应温度不超过80℃，然后，待体系降温至40℃以下，转移至1升的烧杯中，再次缓慢加入100 毫升蒸馏水，冷却至室温，向烧杯中一次倾入300毫升含有15毫升质量浓度为30%的过氧化氢溶液，待体系温度降至室温，结束反应，体系呈亮黄色；依次用去离子水、盐酸、乙醇对产物进行离心清洗，离心转速为4000转/分钟，直至体系呈中性；最后将得到的产物进行真空抽滤，在50℃的真空干燥箱中干燥24小时，即制得氧化石墨。

(2)纳米管状结构聚苯胺/石墨烯纳米复合材料的制备