纤维素网络聚苯胺复合材料和超级电容器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法以及利用该复合材料制备超级电容器的方法，包括：将木材去除木质素和半纤维素后，获得多孔的纤维素网络结构；再将苯胺原位聚合在所述纤维素网络结构中；从而获得所述纤维素网络聚苯胺复合材料。由本方法制得的纤维素网络聚苯胺复合材料经增重分析和形态学表征证实，木材微观结构中PANI颗粒沉积均匀且丰富，具有36.79S cm

Preparation of Cellulose Network Polyaniline Composites and Super Capacitors

【技术实现步骤摘要】
纤维素网络聚苯胺复合材料和超级电容器的制备方法
本专利技术涉及电化学和新能源材料
，更具体地说，本专利技术涉及一纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法和利用该复合材料制备一体式全固态超级电容器的方法。
技术介绍
自MacDiarmid，Heeger和白川共同发现导电聚合物以来，导电聚合物已经发展了几十年，其中具有代表性的包括：聚酰胺树脂(PA)、聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)和聚噻吩。导电聚合物因成本低、来源广、稳定性好、电导率高、混溶性好等优点而得到了广泛的研究。PANI是唯一可以掺杂质子酸的导电聚合物，其可用于电池、半导体、太阳能电池等电子领域，也可以用于金属防腐、印刷、军工以及其他领域。自20世纪60年代末起，PANI及其复合材料的研究作为电极材料得到了广泛的关注。在过去的十年中，以可再生资源作为基质的研究不断发展。相比其他可再生材料，木质纤维原料(例如；木材)具有重量轻、货源广、价格低廉、独一无二层次结构、可再生特性等独特的优势。全掺杂PANI的电导率范围为1×10-2到3.3×103Scm–1，是一种优良的导电性可调的添加剂，和木材复合可以提高木质复合材料的电导率。特别是木材基体可以允许苯胺单体在木材内部聚合，使木材/PANI复合材料的内部可以导电。现如今的全固态超级电容器通常表现为多层叠层结构，由两个固体电极和中间的隔膜组成。但是层间界面多，层间接触电阻较大，它不太能促进电荷和离子从阴极传输到电荷的阳极，这无疑会降低器件的性能。因此，开发一种新型的结构器件来实现全固态超级电容器的高性能是很有必要的。经研究发现，阻碍木材/PANI复合材料发展的主要因素是材料本身电阻极高。木材/PANI复合材料的电导率为3.38Scm-1，远远低于纤维素基聚苯胺材料(36.79Scm-1)。因此，目前迫切需要提高木材/PANI复合材料的导电性。虽然原位聚合已广泛应用于制备木材/PANI复合材料，但仍不能有效提高复合材料的导电性。因此，有必要探索一些新的方法来增强苯胺在基体材料内部结构中的原位聚合，提高复合材料的导电性。此外，近年来基于纤维素的储能材料在电池和超级电容器中的应用受到了广泛的关注。特别是将纤维素作为一种形状结构材料与具有电化学活性的材料(如导电聚合物)结合后制备成储能材料具有很大的潜力。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述缺陷，并提供至少后面将说明的优点。本专利技术的另一个目的是提供一种能够增强苯胺在木材基体内部结构中的原位聚合的场所，提高复合材料的导电性的纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法。本专利技术的另一个目的是提供一种良好储能的一体式全固态超级电容器的制备方法。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，本专利技术提供一种纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法，其中，包括：通过组分分离操作将木材去除木质素和半纤维素后，获得多孔的纤维素网络结构；再将苯胺原位聚合在所述多孔的纤维素网络结构中；从而获得所述纤维素网络聚苯胺复合材料。木材是一种轻质、多孔、可再生材料，将其进行组分分离以去除木质素和半纤维素，从而获得以纤维素为主的多孔的木质结构。不同于现在人造的纤维素水凝胶结构，这种纤维素网络结构具有木材本身天然的特有的多孔结构，结构分层，定向排列的木质细胞壁精细结构及木材微纳米孔道等等特征，且整个纤维素网络结构结构是天然的完整的块状，是可再生及可生物降解的，并且其生物相容性能优良，因此更加利于与其他材料的复合，成本也更加低廉。另外，去除木质素和半纤维素后增加了木材的孔隙，孔隙度高有利于苯胺的渗透和原位聚合，这有助于提高制得的CNP复合材料的电导率。优选的是，所述的纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法中，所述组分分离操作包括以下步骤：将木材置于2.5mol/L的氢氧化钠溶液中25℃室温条件下浸泡12小时后；在90℃条件下搅拌回流3小时，以去除木材的半纤维素和木质素，然后再用去离子水冲洗木材，洗至中性后置于去离子水、冰醋酸和亚氯酸钠的混合物中，在75℃的条件下反应1小时，再加入冰醋酸和亚氯酸钠反应至样品变成白色：重复0～6次加入冰醋酸和亚氯酸钠步骤，即可获得多孔的纤维素网络结构。优选的是，所述的纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法中，将所述多孔的纤维素网络结构用去离子水冲洗至中性后，放入到无水乙醇中保存备用。优选的是，所述的纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法中，将苯胺原位聚合在所述多孔的纤维素网络结构包括以下步骤：将多孔的纤维素网络结构置于苯胺单体溶液中，在25℃室温真空条件下放置半小时，真空使得纤维网络结构中内的气体以及其他成分跑出，为苯胺的进入提供空间，再在25℃室温常压条件下放置2天得到浸渍有苯胺单体的纤维素网络结构；常压利于将苯胺压入到纤维网络结构中。将所得的浸渍有苯胺单体的纤维素网络结构置于低于5℃1mol/L的盐酸中，加入过硫酸铵(APS)，然后在0℃保持12小时即得到所述纤维素网络聚苯胺复合材料。一种一体式全固态超级电容器的制备方法，其中，包括以下步骤：将所述纤维素网络聚苯胺复合材料做成长宽尺寸10x10mm的样品材料；将所述样品材料置于电解质中，真空浸泡2小时，然后分别在样品材料的两横截面上涂2.1毫克的多壁碳纳米管，然后25℃室温干燥；多壁碳纳米管不总是笔直的，局部多为凹凸状，这使得位于样品材料和集流体之间的多壁碳纳米管互相嵌入到样品材料的多孔结构中以及集流体中，相辅相成，增加了材料之间的接触面积，减少间隙，提高了电学性能，充分发挥了两种材料各自的优点，最终表现为面积比电容的提高。直接将集流体固定在样品材料上不能取得这样的技术效果。将集流体使用粘结剂固定所述样品材料的一个横截面形成电极及样品材料的另一横截面使用同样的集流体和粘结剂形成电极，电极之间的中间部位的纤维素网络结构起到隔膜的功能和效用；最后这个所述样品材料轻轻压后形成的一体式三明治结构即得到所述一体式全固态超级电容器。优选的是，所述的一体式全固态超级电容器的制备方法中，所述集流体为铝片；所述粘结剂为导电银胶；所述电解质为聚乙烯醇/磷酸凝胶；所述隔膜为样品材料中的纤维素网络结构。本专利技术至少包括以下有益效果：本专利技术的纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法利用木材为原料，将木材去除木质素和半纤维素后得到多孔的纤维素网络结构，再将苯胺原位聚合到纤维素网络结构中，得到纤维素网络聚苯胺复合材料。木材是一种轻质、多孔、可再生材料，不同于现在人造的纤维素水凝胶结构，这种纤维素网络结构具有木材本身天然的特有的多孔结构，结构分层，定向排列的木质细胞壁精细结构及木材微纳米孔道等等特征，且整个纤维素网络结构结构是天然的完整的块状，是可再生及可生物降解的，并且其生物相容性能优良，因此更加利于与其他材料的复合，成本也更加低廉。另外，去除木质素和半纤维素后增加了木材的孔隙，孔隙度高有利于苯胺的渗透和原位聚合，这有助于提高制得的CNP复合材料的电导率。由本方法制得的纤维素网络聚苯胺复合材料经增重分析和形态学表征证实，纯化后的木材微观结构中PANI颗粒沉积均匀且丰富，具有较高的电导率(36.79Scm-1)和高达143％的增重百分率(WPG)。纤维素网络聚苯胺复合材料作为电极的质量比电容(218.75vs99.79Fg-1)明显好于原木/PANI复合材料(WP)。在三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法，其中，包括：通过组分分离操作将木材去除木质素和半纤维素后，获得多孔的纤维素网络结构；再将苯胺原位聚合在所述多孔的纤维素网络结构中；从而获得所述纤维素网络聚苯胺复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法，其中，包括：通过组分分离操作将木材去除木质素和半纤维素后，获得多孔的纤维素网络结构；再将苯胺原位聚合在所述多孔的纤维素网络结构中；从而获得所述纤维素网络聚苯胺复合材料。2.如权利要求1所述的纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法，其中，所述组分分离操作包括以下步骤：将木材置于2.5mol/L的氢氧化钠溶液中25℃室温条件下浸泡12小时后；在90℃条件下搅拌回流3小时，以去除木材部分的半纤维素和木质素，然后再用去离子水冲洗木材，洗至中性；将洗至中性的木材置于去离子水、冰醋酸和亚氯酸钠的混合物中，在75℃的条件下反应1小时，再加入冰醋酸和亚氯酸钠反应至样品变成白色：重复0～6次加入冰醋酸和亚氯酸钠步骤，即可获得多孔的纤维素网络结构。3.如权利要求2所述的纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法，其中，将所述多孔的纤维素网络结构用去离子水冲洗至中性后，放入到无水乙醇中保存备用。4.如权利要求3所述的纤维素网络聚苯胺复合材料的制备方法，其中，将苯胺原位聚合在所述多孔的纤维素网络结构包括以下步骤：将多孔的纤维素网络结构置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：程芳超，柯少秋，农育红，张凯，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45