一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料及其制备和应用。该复合材料是在碳纳米纤维膜基底上电化学沉积聚乙撑二氧噻吩得到。制备方法包括：将含有乙撑二氧噻吩、KCl、表面活性剂的溶液搅拌，以铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极、碳纳米纤维为工作电极，电化学沉积。该方法采用木质素等自然界中资源作为基底原料，容易获得，安全环保，无毒无害，减少工业生产中的浪费。

【技术实现步骤摘要】
一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料及其制备和应用
本专利技术属于导电聚合物复合材料及其制备和应用领域，特别涉及一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
导电聚合物的突出优点是既具有金属和无机半导体的电学和光学特性，又具有有机聚合物的机械性能和可加工性，还具有电化学氧化还原活性。这些特点决定了导电聚合物材料将在未来的有机光电子器件和电化学器件的开发和发展中发挥重要作用。在电极材料的应用中，选择聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)的最突出的优点是良好的环境稳定性和导电性。目前，对聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)的电极材料研究是热点，合成的方法也有很多，然而，到目前为止，还未发现在碳纳米纤维基底上电化学聚合聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)。在自然界陆生资源中，木质素产量丰富，在全球范围内每年可生产约600亿吨，仅次于纤维素。然而绝大部分木质素只是简单地作为廉价燃料用于燃烧或者直接任意排放，这不仅造成了资源浪费，同时也对环境造成了一定破坏。Lai等(Lai,C.；Zhou,Z.；Zhang,L.；etal.Free-standingandMechanicallyFlexibleMatsConsistingofElectrospunCarbonNanofibersMadeFromaNaturalProductofAlkaliLigninasBinder-freeElectrodesforHigh-performanceSupercapacitors[J].JournalofPowerSources,2014,247(247):134-141.)将碱木质素与聚乙烯醇混纺，再在惰性气体中以5℃/min升温至1200℃进行碳化从而制备得到木质素基碳纳米纤维。将此碳纳米纤维应用于电化学电容器的电极材料时，其在0.4A/g的电流密度下，比电容值达到64F/g。Yang等人(Chen,X.；Zhu,X.；Xiao,Y.；Yang,X.PEDOT/g-C3N4BinaryElectrodeMaterialforSupercapacitors[J].JournalofElectroanalyticalChemistry，2015,743:99-104.)以0.1MPSS/0.01MEDOT为原料，在以G-C3N4为衬底的玻璃碳基质上合成了PEDOT，并用该电极材料组装成超级电容器，将Na2SO4溶液作为电解液，制成的超级电容器的比电容达到200F/g。就目前研究来看，无论单纯的碳纳米纤维还是在其它基底上复合PEDOT得到的电极材料的电容都不高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料及其制备和应用，以克服现有技术中导电聚合物材料比电容不高的缺陷。本专利技术的一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料，所述复合材料是在碳纳米纤维膜基底上电化学沉积聚乙撑二氧噻吩得到。所述碳纳米纤维膜为木质素基碳纳米纤维膜。本专利技术的一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括：将乙撑二氧噻吩EDOT、KCl、表面活性剂溶于溶剂中形成溶液，搅拌，以铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极、碳纳米纤维为工作电极，电化学沉积制备聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料，其中溶液中EDOT浓度为0.01-0.06mol/L，KCl浓度为0.05-1.5mol/L，表面活性剂浓度为0.005-0.05mol/L。所述溶剂为水。所述表面活性剂为阴离子表面活性剂。所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠SDBS或者十二烷基磺酸钠。所述碳纳米纤维为木质素基碳纳米纤维。所述搅拌时间为1-5h。所述电化学沉积工艺参数为：循环伏安法聚合1-5个循环，一个循环时间为500秒，电压为0.5-3V。本专利技术的一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料的应用。本专利技术中木质素基碳纳米纤维工作电极可以由木质素、PEO为原料，甲酸溶解后进行静电纺丝。纺丝纤维真空干燥后进行预氧化，在氮气氛围进行碳化，冷却至室温后获得木质素碳纳米纤维基底。在制备木质素基碳纳米纤维膜的过程中，通过改变纺丝液中有机物以及聚合物的种类和含量，同样可以得到碳纳米纤维膜。本专利技术充分利用自然界中的木质素进行静电纺丝碳化，获得木质素基碳纳米纤维，作为聚合聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)的基底。单纯的纳米碳纤维的比电容可达到200mF/cm2，在此基础上再聚合聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)，将会提高电极材料的比电容。本专利技术以3,4-乙烯二氧噻吩单体(EDOT)为原料，KCl为电解质溶液，在木质素基碳纳米纤维基底上电聚合PEDOT。有益效果(1)本专利技术采用木质素等自然界中资源作为静电纺丝原料，容易获得，安全环保，无毒无害，减少工业生产中的浪费；(2)本专利技术使用碳纳米纤维膜作为工作电极，其本身具有优秀的比电容，从而增大所得复合电极材料的比电容，同时多孔网状的碳纳米纤维膜能够有效吸收电解质，便于离子迁移。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1配置0.01mol/LEDOT(市售)，0.05mol/LKCl(市售)，0.01mol/LSDBS(上海泰坦科技有限公司)的水溶液，搅拌3h。以铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极、木质素基碳纳米纤维为工作电极，循环伏安法聚合2循环(1000秒)，聚合电压2V，得到聚乙撑二氧噻吩/木质素基碳纳米纤维复合材料。该复合材料在1mA/cm2的电流密度下电容为587mF/cm2。实施例2循环伏安法聚合4循环，聚合电压2.5V，其余条件均与实施例1相同，得到聚乙撑二氧噻吩/木质素基碳纳米纤维复合材料。该复合材料在1mA/cm2的电流密度下电容为698mF/cm2。实施例3配置0.03mol/LEDOT，0.05mol/LKCl，0.01mol/LSDBS的水溶液，循环伏安法聚合1循环(500秒)，其余条件均与实施例1相同，得到聚乙撑二氧噻吩/木质素基碳纳米纤维复合材料。该复合材料在1mA/cm2的电流密度下电容为510mF/cm2。实施例4配置0.02mol/LEDOT，0.05mol/LKCl，0.01mol/LSDBS的水溶液，循环伏安法聚合1循环(500秒)，聚合电压2.5V，其余条件均与实施例1相同，得到聚乙撑二氧噻吩/木质素基碳纳米纤维复合材料。该复合材料在1mA/cm2的电流密度下电容为500mF/cm2。对比例1参照文献(Chen,X.；Zhu,X.；Xiao,Y.；Yang,X.PEDOT/g-C3N4BinaryElectrodeMaterialforSupercapacitors[J].JournalofElectroanalyticalChemistry，2015,743:99-104.)。将3μLG-C3N4溶液(500μg/mL)悬涂到干净的玻璃碳电极表面，之后自然干燥4h，以此得到工作电极。以0.1mol/LPSS,0.01mol/LEDOT为原料，饱和甘汞电极为参比电极，-0.2-0.8V聚合500s，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料，其特征在于，所述复合材料是在碳纳米纤维膜基底上电化学沉积聚乙撑二氧噻吩得到。

【技术特征摘要】
1.一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料，其特征在于，所述复合材料是在碳纳米纤维膜基底上电化学沉积聚乙撑二氧噻吩得到。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述碳纳米纤维膜为木质素基碳纳米纤维膜。3.一种聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括：将乙撑二氧噻吩EDOT、KCl、表面活性剂溶于溶剂中形成溶液，搅拌，以铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极、碳纳米纤维为工作电极，电化学沉积制备聚乙撑二氧噻吩/碳纳米纤维复合材料，其中溶液中EDOT浓度为0.01-0.06mol/L，KCl浓度为0.05-1.5mol/L，表面活性剂浓度为0.005-0.05mol/L。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李戎，吴盼盼，代晓芹，桂澄，贾凡，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31