[发明专利]聚苯胺/氧化石墨烯的制备及在超级电容器电极的应用

说明书

本发明属于高分子复合材料技术领域，涉及超级电容器电极材料，尤其涉及一种磁场诱导下硫酸掺杂的聚苯胺/氧化石墨烯的制备方法。本发明以硫酸为掺杂酸，采用纯化去除阻聚剂的苯胺单体与采用改进Hummers法制备的氧化石墨烯在去离子水中共混，低温下适量引发剂过硫酸铵使苯胺单体在稳态静磁场诱导下静置反应得到聚苯胺/氧化石墨烯，可应用于超级电容器电极材料。本发明制备工艺简单、成本易控。所制得的聚苯胺/氧化石墨烯材料有效增大了电极材料的比表面积，氧化石墨烯具有双电层电极材料的高循环稳定性，磁场诱导下硫酸掺杂的聚苯胺提升了结晶度和电导率，增强了对电荷的富集及赝电容存储作用，比重轻、能量效率高，有效提升其比电容及循环稳定性。

技术领域

本发明属于高分子复合材料制备技术领域，涉及超级电容器材料的制备，尤其涉及一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备及在超级电容器电极材料中的应用。

背景技术

随着科技的进步和经济的发展，对能源进口的过度依赖导致了国内能源行业的发展具有不稳定性，并且传统能源行业又会带来各种气候异常及环境污染问题。为了减少二氧化碳的排放及PM 2.5颗粒物对大气的污染，电气化改造及电动汽车成为世界上大多数国家解决能源危机和环境污染的首选。作为能源储存及供给装置，铅蓄电池、镍氢电池及锂离子电池在过去20年间得到飞速发展。但是随着便携式电子器件的大规模使用及混合动力汽车对供电系统的能量密度和功率密度的双重要求，普通化学电池及传统电容器无法适应当前发展的要求。在此背景下，超级电容器逐渐成为各方研究的热点之一。

氧化石墨烯(Graphene oxide)是一种由sp2杂化的碳原子相互连接构成的二维晶态超薄材料，单层氧化石墨烯只有一个碳原子厚度(0.335nm)，其碳原子之间均是以共价键的形式相互连结在一起，整体呈现六角环形蜂窝状，是严格意义上的二维平面材料。氧化石墨烯具有超大的比表面积和优异的导电性，更容易形成双电层，同时具有优异的化学和热稳定性。由于氧化石墨烯较大的表面、极薄的厚度，使得其容易形成三维褶皱和相互叠加的空间结构，从而可以形成纳米级的孔道和空穴，有利于电解液在材料内部的扩散。除此之外，氧化石墨烯还具有优异的机械柔韧性，因此氧化石墨烯是一种非常理想的超级电容器电极材料。

导电聚苯胺具有各向异性，因此在外加磁场条件下具有各向异性的磁化率，导致其在外加磁场不同的轴向所受磁化能完全不同。由于磁各向异性导致其在不同方向上受到磁化能的差值增大到一定程度的时候，聚苯胺分子主链就按照外加磁场的受力方向产生旋转，产生新的取向，持续到其主链在磁场方向上所受磁化能最小的位置，重新达到一个平衡位置。由于聚苯胺结构上的各项异性所带来的磁场下各向异性磁化率，所以相应的在其分子主链上发生取向增长的方向一般都是垂直于磁场方向的；相反，在平行于磁场方向上，则对聚苯胺主链的增长有抑制作用。因此在外加稳态静磁场下制备的聚苯胺纳米材料其结晶度和电荷传输性能都得到了显著的提升，并且具有更好的磁响应性。因此，外加稳态静磁场可以作为一种制备高有序度一维纳米高分子材料的有效手段，并且电容性能也得到了大幅提升。

导电高分子由于其较高的比电容性能而在超级电容器电极材料领域有着广泛的应用。聚苯胺由于其结构多样化，环境稳定性好，廉价易得，易于加工等优点而被广泛用作超级电容器电极材料。申请号为CN201710799191.6的专利公开了《超级电容器用NiAnderson型杂多酸/石墨烯/聚苯胺复合电极材料及制备方法》，其以石墨烯为基底，加入杂多酸、聚苯胺与石墨烯，用简单的水热法将杂多酸与聚苯胺均匀的复合在石墨烯表面或插入石墨烯片层间，改善石墨烯的团聚现象，以达到提高超级电容器的比电容能力。然而，采用该方法制备聚苯胺和氧化石墨烯复合电极材料时步骤复杂，不易控制，且测试中循环稳定性较差，不利于产业化应用及成本控制，难以获得稳定的产品性能，从而影响该材料的广泛应用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的一个目的在于，公开了一种磁场诱导下硫酸掺杂的聚苯胺/氧化石墨烯的制备及在超级电容器电极材料中的应用。

技术方案