一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途，该材料包含：带状纳米石墨烯，在该带状纳米石墨烯表面形成的聚吡咯层，在聚吡咯层表面吸附的磺酸盐，及与磺酸根离子静电吸附形成的氧化钌层。其中，氧化钌与形成聚吡咯层的带状纳米石墨烯材料的质量比为(5～11)：1；磺酸盐包含：聚苯乙烯磺酸钠。本发明专利技术的材料提升了整体比电容值，更利用氧化钌的良好结构稳定性避免聚吡咯体积的过度膨胀与收缩，使氧化钌与带状纳米石墨烯/聚吡咯之间产生良好的加成效应，提高复合材料的循环使用寿命。

A ribbon nano-graphene ternary composite material and its preparation method and Application

The invention discloses a banded nano-graphene ternary composite material and its preparation method and application. The material comprises: a banded nano-graphene, a polypyrrole layer formed on the surface of the banded nano-graphene, a sulfonate adsorbed on the surface of the polypyrrole layer, and a ruthenium oxide layer formed by electrostatic adsorption with sulfonate ions. Among them, the mass ratio of ruthenium oxide to ribbon-like nanographene materials forming polypyrrole layers is (5-11):1; sulfonates include: sodium polystyrene sulfonate. The material of the invention improves the overall specific capacitance value, avoids the excessive expansion and contraction of the polypyrrole volume by making use of the good structural stability of ruthenium oxide, and produces good additive effect between ruthenium oxide and ribbon nanographene/polypyrrole, and improves the cyclic life of the composite material.

【技术实现步骤摘要】
一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途
本专利技术涉及一种复合材料，具体涉及一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途。
技术介绍
为了解决由于日益增长的能源消耗带来的能源短缺和环境污染问题，研究者们致力于开发可持续的绿色再生能源及相关储能装置。电化学电容器又称超级电容器或超级电容器，是目前广泛研究的储能电化学装置之一，其具有充放电速率快、循环寿命长和安全性高的优点。然而，超级电容器大规模实际应用仍然受到其较低的能量密度的限制，解决超级电容器能量密度问题的关键是开发出具有大容量、高倍率和良好循环性能的电极材料。纳米结构材料因其新颖的电子、光学、磁性和催化性能而备受关注。近年来，从能量和功率密度的角度来看，纳米结构技术也被用作提高储能装置电化学性能的有力手段。多孔碳质材料由于其成本低、导电性好、比表面积高等优点，成为双电层电容器的理想电极。同时，含水Ruo2作为“赝电容”的电极材料被广泛研究，因为它在含水电解质中具有高电容和容量的特性，钌基材料的显著缺点是成本高以及在含水量高环境下的电子传导率低，可能由于缺乏电子传导路径而导致功率密度降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途，该材料解决了现有含水Ruo2电极材料功率密度降低的问题，能够提高功率密度和电容保持率。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种带状纳米石墨烯三元复合材料，该材料包含：带状纳米石墨烯，在该带状纳米石墨烯表面形成的聚吡咯层，在聚吡咯层表面吸附的磺酸盐，及与磺酸根离子静电吸附形成的氧化钌层。其中，所述氧化钌与形成聚吡咯层的带状纳米石墨烯材料的质量比为(5～11)：1；所述磺酸盐包含：聚苯乙烯磺酸钠。优选地，所述聚吡咯层通过原位聚合法获得。优选地，所述聚吡咯层，是通过将所述带状纳米石墨烯于盐酸水溶液中，超声后在0～5℃下加入吡咯反应，待反应结束，加入过硫酸铵或氯化铁水溶液在0～5℃下聚合反应获得的。优选地，所述磺酸盐的浓度为2mg/mL，带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料的质量与磺酸盐的体积之比为5mg：1L。本专利技术还提供了一种所述的带状纳米石墨烯三元复合材料的制备方法，该制备方法包含：(1)将带状纳米石墨烯于盐酸水溶液中，超声振动后在0～5℃下加入吡咯反应，待反应结束，加入过硫酸铵或氯化铁水溶液在0～5℃下聚合反应，获得带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料；(2)将步骤(1)制备的带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料于磺酸盐水溶液中，使带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料表面吸附磺酸盐，加入氧化钌，搅拌，使钌离子与磺酸根离子静电吸附，以水热法反应，形成带状纳米石墨烯/聚吡咯/氧化钌三元复合材料，对该复合材料退火。在步骤(2)中，所述带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料与氧化钌的质量比为1：(5～11)；所述磺酸盐包含：聚苯乙烯磺酸钠。聚苯乙烯磺酸钠与其他的磺酸系物相比，具有毒性极低、水溶性程度较高、阴离子电解活化好、凝絮力强等特点，因此选用聚苯乙烯磺酸钠，聚苯乙烯磺酸钠起到电解活化并提供负离子作用。在步骤(1)中，控制反应温度为0～5℃，温度过高容易使溶液挥发，反应温度过低则反应速率降低。优选地，在步骤(1)中，所述盐酸水溶液的浓度为1mol/L，所述带状纳米石墨烯的质量与盐酸水溶液的体积之比为(0.2～1.7g)：20mL，加入盐酸是为了纯化石墨烯，盐酸比例过小则导致石墨烯纯化不彻底，盐酸比例过大则导致盐酸浪费。优选地，在步骤(2)中，所述磺酸盐的浓度为2mg/mL，所述带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料的质量与磺酸盐的体积之比为5mg：1L，聚苯乙烯磺酸钠起到电解活化并提供负离子作用，比例过大容易使后期镀层过厚，比例小容易使镀层不能够完全包覆。优选地，在步骤(2)中，通过超声使带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料表面吸附磺酸盐。优选地，所述水热法的温度不低于180℃，反应温度过低则反应困难，但反应温度过高浪费能源；所述退火温度为150℃，有利于提高复合材料的强度和韧性。更优选地，所述水热法的时间为1.5h；所述退火时间为1h。优选地，所述带状纳米石墨烯的制备：将多壁纳米碳管与浓硫酸混和搅拌，使多壁纳米碳管表面形成缺陷，加入高锰酸钾搅拌，对多壁纳米碳管进行切割，加热，获得带状纳米石墨烯。所述氧化钌制备：将三氯化钌于水中并混合搅拌，水热法反应，反应结束后处理，得到水合氧化钌粉末，进行退火以提高材料的强度和韧性。本专利技术还提供了一种所述的带状纳米石墨烯三元复合材料的用途，该复合材料作为电极材料。本专利技术的带状纳米石墨烯三元复合材料及其制备方法和用途，解决了现有含水Ruo2电极材料功率密度降低的问题，具有以下优点：(1)本专利技术的材料，包含带状纳米石墨烯、聚吡咯、磺酸盐和氧化钌，其功率密度、比电容和电容保持率均得到提高；(2)本专利技术的材料，通过在带状纳米石墨烯/聚吡咯的表面吸附有带负电的磺酸基，然后使其与带正电的钌离子结合，使得石墨烯/聚苯吡咯表面紧紧包覆着一层氧化钌，不仅以拟电容特性提升了复合材料整体比电容值，更利用氧化钌的良好结构稳定性避免聚吡咯体积的过度膨胀与收缩，使氧化钌与带状纳米石墨烯/聚吡咯之间产生良好的加成效应，提高复合材料的循环使用寿命；(3)本专利技术的材料，采用带状纳米石墨烯，其具有超高的比表面积，表面的吸附及脱附作用也较强，具有较大的储能容量，更适合用作超级电容电极使用。附图说明图1为本专利技术实施例1～5制备的复合材料及氧化钌和7％带状石墨烯/聚吡咯的拉曼光谱分析图。图2为本专利技术实施例1～5制备的复合材料在100mV/S的扫描速率下的电容保持率图。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1一种带状纳米石墨烯三元复合材料的制备方法，具体如下：(1)带状纳米石墨烯制备多壁纳米碳管0.1g与浓硫酸100mL混和搅拌2h，浓硫酸可使多壁纳米碳管表面形成缺陷；加入0.5g高锰酸钾至上述溶液并搅拌2h，高锰酸钾以浓硫酸形成的缺陷处为切割起点，对纳米碳管进行纵向切割，得到带状纳米石墨烯；将上述溶液升温至85℃并搅拌2h，使其充分反应，反应完毕后，将溶液倒入5％H2O2(配制：425mLH2O与25mLH2O2)并静置24h，生成性能稳定且易溶于水的硫酸锰和硫酸钾，便于后期清洗掉，倒掉静置后上层澄清液，采用抽气过滤器过滤下层液，利用去离子水与乙醇清洗数次滤饼，将生成物(滤饼)在60℃下干燥24h。(2)带状纳米石墨烯/聚吡咯制备将1.652g经上述步骤(1)制备得到的带状纳米石墨烯添加到浓度1mol/L的20mL的HCl水溶液，并超声振动1h；将上述溶液在0～5℃温度下冰浴10min，添加入吡咯0.01mL至上述溶液中并保持0～5℃搅拌30min，得到带状纳米石墨烯/吡咯溶液；将0.033g过硫酸铵溶于水中，制备成5mL过硫酸铵水溶液；将上述5mL过硫酸铵水溶液缓慢滴入上述带状纳米石墨烯/吡咯溶液中，利用原位聚合法制备石墨烯/聚吡咯复合材料，在0～5℃下聚合3h，倒入甲醇终止反应，利用抽气过滤器过滤上述溶液，利用甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带状纳米石墨烯三元复合材料，其特征在于，该材料包含：带状纳米石墨烯，在该带状纳米石墨烯表面形成的聚吡咯层，在聚吡咯层表面吸附的磺酸盐，及与磺酸根离子静电吸附形成的氧化钌层；其中，所述氧化钌与形成聚吡咯层的带状纳米石墨烯材料的质量比为(5～11)：1；所述磺酸盐包含：聚苯乙烯磺酸钠。

【技术特征摘要】
1.一种带状纳米石墨烯三元复合材料，其特征在于，该材料包含：带状纳米石墨烯，在该带状纳米石墨烯表面形成的聚吡咯层，在聚吡咯层表面吸附的磺酸盐，及与磺酸根离子静电吸附形成的氧化钌层；其中，所述氧化钌与形成聚吡咯层的带状纳米石墨烯材料的质量比为(5～11)：1；所述磺酸盐包含：聚苯乙烯磺酸钠。2.根据权利要求1所述的带状纳米石墨烯三元复合材料，其特征在于，所述聚吡咯层通过原位聚合法获得。3.根据权利要求2所述的带状纳米石墨烯三元复合材料，其特征在于，所述聚吡咯层，是通过将所述带状纳米石墨烯于盐酸水溶液中，超声后在0～5℃下加入吡咯反应，待反应结束，加入过硫酸铵或氯化铁水溶液在0～5℃下聚合反应获得的。4.根据权利要求1所述的带状纳米石墨烯三元复合材料，其特征在于，所述磺酸盐的浓度为2mg/mL，带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料的质量与磺酸盐的体积之比为5mg：1L。5.一种如权利要求1所述的带状纳米石墨烯三元复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包含：(1)将带状纳米石墨烯于盐酸水溶液中，超声振动后在0～5℃下加入吡咯反应，待反应结束，加入过硫酸铵或氯化铁水溶液在0～5℃下聚合反应，获得带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料；(2)将步骤(1)制备的带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料于磺酸盐水溶液中，使带状纳米石墨烯/聚吡咯复合材料表面吸附磺酸盐，加入氧化钌，搅拌，使钌离子与磺酸根离子静电吸附，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘守法，豆素勤，吴松林，马世臣，王新元，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61