[发明专利]细菌纤维素基柔性超级电容器电极材料及制备方法和应用

说明书

本发明涉及细菌纤维素基柔性超级电容器电极材料及制备方法和应用，先将氮源加入氧化石墨烯分散液中，水热反应制得氮掺杂还原氧化石墨烯；将Py单体和对甲苯磺酸加入到BC悬浮液中，分散均匀；在冰水浴中，向Py/BC悬浮液中加入氯化铁水溶液，原位聚合形成PPy/BC悬浮液；将氮掺杂还原氧化石墨烯分散液加入PPy/BC悬浮液中，继续反应得到PPy/BC/N‑rGO悬浮液，抽滤干燥，得到细菌纤维素基柔性超级电容器电极材料。本发明材料在1A/g的电流密度下最高表现出605F/g的高比容量，表现出良好的电化学性能，还兼具高强度及柔性的特性。

技术领域

本发明涉及新能源储能器件技术领域，尤其是涉及细菌纤维素基柔性超级电容器电极材料及制备方法和应用。

背景技术

随着柔性电子设备的迅速发展，促使为其供能的能量储存设备得到广泛的研究。常见的储能设备中，超级电容器凭借着传统电池所不具备的快速充放电，优异的灵活性、环境友好等特点更加符合人们对现代科技产品和高品质绿色生活的需求，符合未来的发展趋势，但是，其低的能量密度制约着它的应用。所以，研发一种高能量密度的超级电容器具有重要意义。

电极材料是超级电容器的关键部件，对应超级电容器的高能量密度，其电极材料需要具有高比电容。目前，常用的超级电容器电极材料主要有碳基材料、金属氧化物/氢氧化物和导电聚合物。其中石墨烯具有大的比表面积，容纳离子能力大，超强的导电性能和功率密度大的特点被广泛应用于电极材料。但是，石墨烯在实际应用中存在片层之间堆叠，使其比表面积未能完全利用，而且，化学法制备的石墨烯晶体缺陷不可避免，晶体间不直接连接，导致固有的比电容未能完全发挥。

在可生物降解和环境友好的聚合物基材中，纤维素是一种具有吸引力的新兴可再生材料，具有成本低，可用性广泛和可生物降解等优点。与植物源纤维素相比，细菌纤维素(BC)具有更高的结晶度，并且不含木质素/半纤维素。另外，其生产不需要苛刻的化学和机械处理。凭借这些优势，BC作为超级电容器柔性电极基材获得了研究者极大的兴趣。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中存在的问题，提供细菌纤维素基柔性超级电容器电极材料及制备方法和应用，通过将赝电容材料聚吡咯引入石墨烯片层结构形成复合材料，利用两者协同作用，增强电子传输速率，提高能量储存能力。

为了达到上述目的，本发明制备方法采用如下技术方案：

包括以下步骤：

(1)将氮源加入氧化石墨烯分散液中，在80～160℃水热反应3～24h制得氮掺杂还原氧化石墨烯，将氮掺杂还原氧化石墨烯加入水中混合均匀得到氮掺杂还原氧化石墨烯分散液；

(2)将Py单体和对甲苯磺酸加入到BC悬浮液中，分散均匀得到Py/BC悬浮液；Py单体、对甲苯磺酸和BC的比例为(0.15～0.35)mL：(600～700)mg：(112～168)mg；

(3)在冰水浴中，向Py/BC悬浮液中加入氯化铁水溶液，原位聚合形成PPy/BC悬浮液；氯化铁和步骤(2)中的Py单体的比例为(900～1000)mg：(0.15～0.35)mL；

(4)将步骤(1)制得的氮掺杂还原氧化石墨烯分散液加入PPy/BC悬浮液中，继续反应得到PPy/BC/N-rGO悬浮液，其中氮掺杂还原氧化石墨烯和步骤(2)中的Py单体的比例为(18～36)mg：(0.15～0.35)mL；将PPy/BC/N-rGO悬浮液抽滤干燥，得到高比电容的细菌纤维素基柔性氮掺杂石墨烯超级电容器电极材料。

进一步地，步骤(1)中氮源为氨基胍、尿素或水合肼-氨水；其中：

氮源为氨基胍时，氨基胍与氧化石墨烯的质量比为0.6g：(0.1～0.2)g；且采用NaOH调节pH至11～13，然后进行水热反应；

氮源为尿素时，尿素与氧化石墨烯质量比为3g：(0.1～0.2)g；