[发明专利]一种纳米线状导电聚苯胺凝胶的制备方法及其在超级电容器中的应用

说明书

本发明公开了一种纳米线状导电聚苯胺凝胶的制备方法及其在超级电容器方面的应用，以四苯基卟啉四磺酸作为交联剂合成纳米线状导电聚苯胺凝胶，利用多元磺酸交联多条聚苯胺分子链和质子酸掺杂合成纳米线状聚苯胺凝胶，其不含非导电高分子，且具有大的比表面积，优异的导电性和良好的电化学性能；所采用的制备方法快速简单，无环境污染，适合工业化生产；所制备的纳米线状导电聚苯胺凝胶电极可以用于超级电容器，在室温下，具有明显的氧化还原性能、优异的倍率性能和循环寿命，能满足超级电容器对高性能电极材料的要求。

技术领域

本发明属于导电聚合物领域，特别是涉及一种纳米线状导电聚苯胺凝胶的制备方法及其在超级电容器方面的应用。

背景技术

导电聚合物凝胶是一类同时兼具凝胶和有机导体优异性能的特殊聚合物材料。纳米结构的导电聚合物凝胶具有三维有机导电网络，其内部微纳米孔隙和分子链间固有的溶胀特性，可为电子及离子传输提供快速通道，具有较快的电化学反应速率，而且可以维持较强的结构稳定性。因此，近年来导电聚合物凝胶被认为是一类极具潜力的超级电容器或锂离子电池电极材料。例如采用导电聚合物凝胶替代传统锂离子电池中的导电剂和粘结剂，或直接用作超级电容器电极时，电解液由此可直接进入其内部的微纳米孔道，更有利于与活性物质的充分接触。导电聚合物凝胶相对于传统的二维薄膜具有更短的锂离子传输路径，可以显著改善电极材料在高倍率充放电时的电化学性能。

然而，目前国内外大量的研究工作，通常是将导电聚合物凝胶单体加入到非导电凝胶基体中聚合，或者直接将凝胶成分与导电聚合物共混制得，导致导电聚合物凝胶中常含有大量非导电成分，且凝胶溶胀时导电聚合物可能与基体分离，使得电导率和稳定性差，难以满足具体使用要求，限制了其在高性能设备上的应用。因此，为实现导电聚合物凝胶能在储能器件等领域的广泛应用，研究导电聚合物凝胶的新型制备方法，通过微结构设计与调控合成新型导电聚合物凝胶材料具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种纳米线状导电聚苯胺凝胶的制备方法及其在超级电容器方面的应用，以四苯基卟啉四磺酸(TPPS)作为交联剂合成纳米线状导电聚苯胺凝胶，一方面多磺酸基团与聚苯胺分子链交联形成三维凝胶结构，避免了非导电成分的引入，另一方面通过质子酸掺杂提高了聚苯胺凝胶的导电性，从而制得性能更加优异的纳米线状导电聚苯胺凝胶。同时，以四苯基卟啉四磺酸(TPPS)交联的纳米线状聚苯胺凝胶为电极材料，应用在超级电容器中，用作超级电容器电极的电容和性能研究，将纳米线状聚苯胺凝胶直接涂覆在集流体上，减少了电极中非活性物质的量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种纳米线状导电聚苯胺凝胶，以四苯基卟啉四磺酸(TPPS)作交联剂和掺杂剂，利用多元磺酸交联多条聚苯胺分子链和质子酸掺杂合成纳米线状聚苯胺凝胶，聚苯胺纳米线之间相互交联、穿插和缠结编织构成的三维网状结构，聚苯胺纳米线表面呈现均匀密集的毛刺状，部分聚苯胺纳米线中心存在细小的空隙。

而且，所述的聚苯胺纳米线尺寸均匀，直径为120-180nm。

一种纳米线状导电聚苯胺凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将四苯基卟啉四磺酸和苯胺均匀分散在蒸馏水中，超声搅拌后进行冰水浴；其中四苯基卟啉四磺酸的用量为0.1-5摩尔份，每份为1mmol，苯胺的用量为2-6摩尔份，每份为1mmol；

(2)将过硫酸铵均匀分散在蒸馏水中，然后进行冰水浴；其中过硫酸铵的质量与步骤(1)中的苯胺等摩尔比；

(3)将步骤(2)得到的溶液加入到步骤(1)得到的溶液中，搅拌后静置使苯胺聚合完全，洗涤并冷冻干燥得到纳米线状导电聚苯胺凝胶。

而且，上述步骤(1)中蒸馏水的体积为1-4体积份，每体积份为1mL，超声搅拌时间为30min，冰水浴的温度为0-4℃。