[发明专利]一种聚苯胺/氧化石墨烯纳米纤维复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种聚苯胺/氧化石墨烯纳米纤维复合材料及其制备方法，属于超级电容器用电极材料的制备技术领域。所述复合材料是以苯胺为单体，以氧化石墨烯纳米纤维为支撑骨架，以过硫酸铵为氧化剂，利用化学氧化聚合反应，经钴离子引导苯胺单体在氧化石墨烯纳米纤维上聚合而成。本发明制备的复合材料具有高的比电容和优异的电化学循环稳定性，且制备工艺简单，主要用于制备超级电容器的电极，具有显著的经济价值与社会效益。

技术领域

本发明属于超级电容器用电极材料的制备技术领域，具体涉及一种聚苯胺/氧化石墨烯纳米纤维复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

聚苯胺是一种重要的超级电容器用电极材料，具有无毒、合成简便、成本低廉、化学稳定性优异等优势。但是，聚苯胺的比电容较低，并且在充放电过程中，掺杂离子的反复嵌入和脱出引起聚苯胺的结构发生反复的膨胀和收缩，在微观上造成聚苯胺的结构崩塌，导致聚苯胺的比电容迅速衰减，电化学循环稳定性较差。李子轩（李子轩; 石墨烯/聚苯胺/四氧化三钴复合材料的制备及电化学性能研究, 天津: 天津大学, 2015）以氧化石墨烯为原料，通过两步法制备石墨烯/聚苯胺/Co₃O₄复合材料。扫描电镜照片显示，因为钴离子和苯胺单体一起加入到氧化石墨烯的分散液中，所以该复合材料的微观形貌保持了氧化石墨烯的片层状结构，而这种片层状结构不利于增加聚苯胺的比表面积和比电容。电化学测试结果证明，这种片层状复合材料在电流密度为0.5 A/g时，比电容仅为153 F/g，循环1000次后比电容保持率仅为60%。石墨烯纳米纤维是采用化学手段将碳纳米纤维的外层进行部分剥离而制备的一种新型纳米碳材料。石墨烯纳米纤维的外层呈现石墨烯的形貌，内层依然保持碳纳米纤维的状态。将石墨烯纳米纤维和聚合物电极材料进行复合，一方面石墨烯纳米纤维外层的石墨烯可以赋予聚合物电极材料大的比表面积，另一方面内层的碳纳米纤维作为支撑/隔离材料可以有效防止聚合物电极材料在充放电过程中的结构坍塌，因此，石墨烯纳米纤维可以显著提高聚合物电极材料的比电容和电化学循环稳定性。中国发明专利CN109473287A公开了一种有机染料掺杂聚苯胺/石墨烯纳米纤维复合材料，其是将蒽醌-1,5-二磺酸钠加入到氧化石墨烯纳米纤维分散液中，利用水热反应一步制备有机染料修饰的还原氧化石墨烯纳米纤维；再将苯胺加入到有机染料修饰的还原氧化石墨烯纳米纤维的分散液中，利用化学氧化聚合反应制得所述复合材料。虽然该复合材料具有比表面积大、比电容高和电化学循环稳定性优异的特点，但是，在制备过程中利用的水热反应不易实现大规模生产，且水热反应过程耗时耗能，生产成本较高，这些严重地影响了该复合材料的大规模生产和应用。

发明内容

本发明针对目前聚苯胺存在比电容较低、电化学循环稳定性较差等问题，提供了一种聚苯胺/氧化石墨烯纳米纤维复合材料及其制备方法。本发明制备的复合材料具有高的比电容和优异的电化学循环稳定性，且制备工艺简单，主要用于制备超级电容器的电极，具有显著的经济价值与社会效益。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚苯胺/氧化石墨烯纳米纤维复合材料是以苯胺为单体，以氧化石墨烯纳米纤维（GONF）为支撑骨架，以过硫酸铵（APS）为氧化剂，利用化学氧化聚合反应，经钴离子（Co²⁺）引导苯胺单体在GONF上聚合而成。

具体地，其制备方法包括以下步骤：