一种电化学储能复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电化学储能复合材料及其制备方法，属于导电材料领域。该电化学储能复合材料包括：作为核层的银纳米线、包覆在核层的表面的碳层和布置在碳层的表面的聚苯胺。制备方法包括：将银纳米线分散在蒸馏水中，得到第一混合液；将葡萄糖溶解于第一混合液中，于150～190℃下反应2～4h，得到反应产物；分离反应产物后，得到AgNWs@C复合材料；将AgNWs@C复合材料分散在质子酸中，得到第二混合液；向第二混合液中加入苯胺并混合均匀，得到第三混合液；将引发剂溶解到第三混合液中，于0～5℃下反应24h后，得到AgNWs@C@PANI电化学储能复合材料。AgNWs@C@PANI可实现高的比电容和良好的电化学循环稳定性；本发明专利技术制备方法具有工艺简单、条件温和、安全、设备投资少、生产成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种电化学储能复合材料及其制备方法
本专利技术涉及导电聚合物/无机纳米材料领域，特别涉及一种电化学储能复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着备用电源，便携式电子设备，可再生能源发电厂和电动汽车的不断发展，人们对功率密度高、循环稳定性好的小体积柔性超级电容器提出了更高的要求，进一步提高超级电容器的能量密度和功率密度势在必行。导电聚合物因其体积密度小、柔性好、较好的光学性能、电学性能和机械性等优点，使其在超级电容器材料领域备受关注。其中聚苯胺(Polyaniline，简称：PANI)是近代高分子科学中一种重要的导电聚合物，在共轭导电高分子材料中占有及其重要的地位，是一种能进行质子酸掺杂而非氧化态掺杂的导电高分子。由于成本低，易合成，电导率可调谐，理论电容高，PANI成为赝电容电极材料的研究热点，广泛应用于各种储能材料，如太阳能电池、传感器、电致变色等。然而聚苯胺作为电容器的电极材料具有明显的两个缺点：(1)PANI属于本征导电高分子材料，在不加掺杂剂的情况下，其电导率非常低，当其作为电容的电极材料时，在充放电的过程中，离子的传输效率较低，比电容难以提升；(2)PANI是一种柔性高分子材料，当其作为电容的电极材料时，在充放电的过程中，其体积会反复收缩和膨胀，从而导致其分子链断裂，表现出较差的循环稳定性。为了改善PANI的第一个缺点，通过引入电导性介质来提高聚苯胺的导电性，如引入电导性介质银纳米材料，可以有效改善PANI电极材料的电容(Phys.Chem.Chem.Phys.2012,14,11886-11895；Ind.Eng.Chem.Res.2014,53,3495-3508)。目前主要采用物理掺杂的方式将银纳米材料与PANI复合。但是，这种方式得到的复合材料不是一个整体，存在两相分离的问题，使得比电容的提升受到一定的限制。另外，随着时间的延长，相分离的情况会越来越严重，使得比电容不稳定。针对PANI的第二个缺点，通过引入碳材料与PANI复合，可以有效改善PANI的循环稳定性(ACSNano2011,5,8552-8561；NanoLett.2014,14,2522-2527)，目前主要采用物理掺杂或化学反应将碳纳米管和石墨烯等与PANI复合成电极材料，得到的比电容较高，循环稳定性较好，但是碳纳米管和石墨烯成本高。
技术实现思路
为了解决现有技术中PANI的比电容的提升受到一定的限制且在改善循环稳定性的同时成本过高的问题，本专利技术实施例提供了一种电化学储能复合材料及其制备方法。所述技术方案如下：一方面，本专利技术提供了一种电化学储能复合材料，所述电化学储能复合材料包括：作为核层的银纳米线、包覆在所述核层的表面的碳层和布置在所述碳层的表面的聚苯胺。另一方面，本专利技术实施例提供了一种电化学储能复合材料的制备方法，所述制备方法包括：将所述银纳米线分散在蒸馏水中，得到第一混合液；将葡萄糖溶解于所述第一混合液中，于150～190℃下反应2～4h，得到反应产物；分离所述反应产物后，得到包覆有碳层的银纳米线复合材料；将所述包覆有碳层的银纳米线复合材料分散在质子酸中，得到第二混合液；向所述第二混合液中加入苯胺并混合均匀，得到第三混合液；将引发剂溶解到所述第三混合液中，于-5～5℃下反应10～24h后，得到所述电化学储能复合材料。具体地，所述葡萄糖的用量为1.0×10-4～1.0×10-2mol。具体地，分离所述反应产物的方法包括：将所述反应产物进行离心，去掉上清液后，得到所述包覆有碳层的银纳米线复合材料。具体地，所述苯胺的用量为5.0×10-4～0.1mol。优选地，所述质子酸为硫酸、盐酸或高氯酸，所述质子酸的浓度为2mol/L。具体地，所述引发剂与所述苯胺的摩尔比为1：(0.5～5)。优选地，所述引发剂为过硫酸盐。具体地，所述方法还包括：将所述电化学储能复合材料进行提纯，所述提纯的方法包括：将所述电化学储能复合材料与丙酮混合后进行过滤，得到固体过滤产物，将固体过滤产物用乙醇进行洗涤，得到经过提纯的所述电化学储能复合材料。具体地，所述制备方法还包括：通过增大所述苯胺的用量、提高所述引发剂与所述第三混合液的反应温度、延长所述引发剂与所述第三混合液的反应时间以及提高所述苯胺在苯胺与引发剂中的比例从而增加所述聚苯胺布置在AgNWs@C上的附着量。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术采用银纳米线AgNWs为原始基底，通过水热法在其表面原位生长一定厚度的碳层，制备出复合材料AgNWs@C，然后以AgNWs@C为反应基体，通过稀溶液氧化合成法将聚苯胺PANI生长于AgNWs@C的表面，形成独特的具有核壳结构的AgNWs@C@PANI电化学储能复合材料。本专利技术制备的AgNWs@C@PANI在电化学储能方面具有协同效应，即AgNWs能有效提高PANI的电导率，使AgNWs@C@PANI的电导率达到了4.86S/cm，明显优于PANI的电导率(0.47S/cm)和PANI@C的电导率(0.52S/cm)，这是因为AgNWs的线状结构有利于电子传输，能有效提高AgNWs@C@PANI的比电容；在AgNWs@C@PANI中引入碳层，一方面碳层可将AgNWs完全均匀包覆，这有利于苯胺单体的聚合物生长，解决了PANI难以在银纳米材料上进行原生生长的问题，同时利用葡萄糖提供碳源，采用葡萄糖的经济成本远低于采用碳纳米管和石墨烯的成本，另一方面，碳层可以减缓PANI在充放电过程中体系收缩和膨胀的作用，降低PANI的分子链断裂的程度，从而改善材料的循环稳定性，同时也可作为电子的传输通道，进一步提高电子的传输速率，从而改善复合材料的比电容。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例五提供的AgNWs@C@PANI的比电容和循环稳定性的结果图；图2是本专利技术实施例一提供的AgNWs@C@PANI的场发射扫描电镜显微图；图3是本专利技术实施例二提供的AgNWs@C@PANI的场发射扫描电镜显微图；图4是本专利技术实施例三提供的AgNWs@C@PANI的场发射扫描电镜显微图；图5是本专利技术实施例四提供的AgNWs@C@PANI的场发射扫描电镜显微图；图6是本专利技术实施例五提供的AgNWs@C@PANI的场发射扫描电镜显微图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术提供了一种电化学储能复合材料，该电化学储能复合材料AgNWs@C@PANI包括：作为核层的银纳米线、包覆在核层的表面的碳层和布置在碳层的表面的聚苯胺。本专利技术实施例还提供了该AgNWs@C@PANI的制备方法，该制备方法包括：将银纳米线AgNWs分散在蒸馏水中，得到第一混合液；将葡萄糖溶解于第一混合液中，于150～190℃下反应2～4h，得到反应产物；分离反应产物后，得到包覆有碳层的银纳米线复合材料(AgNWs@C复合材料)；将AgNWs@C复合材料分散在质子酸中，得到第二混合液；向第二混合液中加入苯胺并混合均匀，得到第三混合液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学储能复合材料，其特征在于，所述电化学储能复合材料包括：作为核层的银纳米线、包覆在所述核层的表面的碳层和布置在所述碳层的表面的聚苯胺。

【技术特征摘要】
1.一种电化学储能复合材料，其特征在于，所述电化学储能复合材料包括：作为核层的银纳米线、包覆在所述核层的表面的碳层和布置在所述碳层的表面的聚苯胺。2.一种如权利要求1所述的电化学储能复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将所述银纳米线分散在蒸馏水中，得到第一混合液；将葡萄糖溶解于所述第一混合液中，于150～190℃下反应2～4h，得到反应产物；分离所述反应产物后，得到包覆有碳层的银纳米线复合材料；将所述包覆有碳层的银纳米线复合材料分散在质子酸中，得到第二混合液；向所述第二混合液中加入苯胺并混合均匀，得到第三混合液；将引发剂溶解到所述第三混合液中，于-5～5℃下反应10～24h后，得到所述电化学储能复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述葡萄糖的用量为1.0×10-4～1.0×10-2mol。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，分离所述反应产物的方法包括：将所述反应产物进行离心，去掉上清液后，得到所述包覆有碳层的银纳米线复合材料。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈韶云，胡成龙，
申请(专利权)人：江汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42