[发明专利]一种蒽醌分子非共价修饰石墨烯/导电聚合物复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及蒽醌分子非共价修饰石墨烯/导电聚合物复合材料的制备方法，属于超级电容器电极用材料领域。

背景技术

蒽醌及其衍生物含有芳环结构和良好氧化还原特性的醌基团，可从植物中直接提取，具有良好的电化学活性，其良好的电子和质子接受能力使其在超级电容器电极材料中得到了广泛研究。蒽醌共价或非共价修饰诸如碳纤维、活性炭、碳纳米管及石墨烯等的碳材料，与未修饰的碳材料相比，其能量密度可获得显著提高。与将电活性分子直接加入电解质来提高碳材料的比电容相比，蒽醌修饰碳电极材料可获得更好的稳定性及分散性能。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种碳质新材料，具有诸如低生产成本，高比表面积、良好的力学性能以及优越的导电性能等优点，这些优越的特性使得石墨烯成为替代碳纳米管的超级电容器电极的首选材料。可利用石墨烯和导电聚合物共轭结构的导电协同作用将石墨烯与导电聚合物复合形成石墨烯/导电聚合物复合材料，来提高导电性能，同时又可实现结构的增强。石墨烯/导电聚合物复合电极材料作为双电层/准电容复合电极材料的代表，能继承二者优势，材料为纳米尺度，比表面高，有发达的孔结构和导电网络。因此导电聚合物/石墨烯复合电极材料近年来成为研究热点。

导电聚合物/石墨烯复合电极材料的研究已具备良好的基础 [Meng YN, Wang K, Zhang YJ, Wei ZX. Hierarchical porous graphene/polyaniline composite film with superior rate performance for flexible supercapacitors. Adv. Mater., 2103, 25:6985-6990.Kumar NA, Choi HJ, Shin YR, Chang DW, Dai LM, Baek JB. Polyanline-grafted reduced graphene oxide for efficient electrochemical supercapacitors. ACS Nano, 2012,6:1715-1723. Zhao Y, Liu J, Hu Y, Cheng HH, Hu CG, Jiang CC, et al. Highly compression-tolerant supercapacitor based on polypyrrole-mediated graphene foam electrodes. Adv. Mater.,2013,25:591-595.]，但是由于石墨烯与导电聚合物之间的π-π堆积作用导致复合材料的有效比表面积较小，石墨烯片在复合材料中的面面堆积问题仍是制约其超电容特性的主要因素。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是将蒽醌类衍生物引入石墨烯/导电聚合物复合体系，有效解决石墨烯片在复合材料中的面面堆积问题。将这种蒽醌分子非共价修饰石墨烯/导电聚合物复合材料作为超级电容器的正极和负极，正极在充分氧化态下可利用导电聚合物的氧化电位（可达0.8V），负极在充分还原态下可利用蒽醌衍生物的还原电位（可达-0.9V），理论上该超级电容器体系的工作电压可拓宽至1.7V，复合电极材料的能量密度可得到有效提高。此种方法国内外尚未见报道。

为了实现上述的发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种蒽醌分子非共价修饰石墨烯/导电聚合物复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）将蒽醌类衍生物溶于氧化石墨烯溶液中，搅拌并利用超声波分散形成溶液，氧化石墨烯的浓度为0.01-0.5mg/mL。所述的蒽醌类衍生物是：蒽醌-1-磺酸钠、蒽醌-2-磺酸钠、酸性蓝25、蒽醌-2,6-二磺酸二钠、蒽醌-2-羧酸或蒽醌-2,3-二羧酸;

（2） 将导电聚合物单体加入上述分散液中，搅拌并利用超声波分散形成反应体系，导电聚合物单体与蒽醌分子的摩尔比为5:1-1:5；导电聚合物单体的浓度为0.01M-0.1M。所述的导电聚合物单体为吡咯、苯胺、3，4-乙撑二氧噻吩;

（3）将上述反应体系在30-120℃下进行搅拌反应6-48h，得到产物;

（4）将得到的产物用去离子水反复清洗，并于60℃真空干燥箱内干燥24h，得到蒽醌分子非共价修饰石墨烯/导电聚合物复合材料。

本发明的积极效果如下：