一种蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料及其制备方法，是将氧化石墨烯、环氧化碳纳米管加入氨基蒽醌的乙醇溶液中，加热回流后制备得到蒽醌分子共接枝碳；然后将导电聚合物单体、掺杂剂、氧化剂加入蒽醌分子共接枝碳分散液中，搅拌条件下于0‑30℃反应12‑24h后得到蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料。本发明专利技术利用氨基蒽醌分子作为电活性媒介共同接枝氧化石墨烯与碳纳米管，提高石墨烯在复合材料中的分散性，并拓宽其电位窗口；将二维石墨烯片与一维碳纳米管的复合接枝结构与导电聚合物进行复合，获得三维网络结构的复合材料，作为超级电容器电极材料表现出较高的能量密度与循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种导电聚合物复合电极材料制备方法，属于超级电容器电极用材料领域。
技术介绍
超级电容器是一种介于静电电容器和化学电源之间的新型储能元件，其与传统的电容器和蓄电池相比，具有高比容量、高功率密度、长的使用寿命及绿色环保等优点，多应用于工业、通信、军事和电动汽车等众多领域。目前，超级电容器常用的电极材料主要有三种：碳材料(具有高比表面积)、导电聚合物材料和金属氧化物材料。碳材料(例如石墨烯、碳纳米管、活性炭等)作为双电层电容的代表，可获得高的循环寿命，但其能量密度低。导电聚合物作为一种法拉第赝电容电极材料，与碳材料相比可获得较高的能量密度，但其在多次充放电以后仍存在循环寿命不高、离子传输较慢等缺点。近年来，将导电聚合物与碳材料进行复合制备法拉第赝电容/双电层电容复合电极材料成为研究热点。导电聚合物/石墨烯复合电极材料以其优异的电化学性能在超级电容器方面表现出良好的应用前景。目前，导电聚合物/石墨烯复合电极材料的研究已具备良好的研究基础(KashaniH,ChenLY,ItoY,HanJH,HirataA,ChenMW.Bicontinuousnanotubulargraphene–polypyrrolehybridforhighperformanceflexiblesupercapacitors.NanoEnergy2016；19:391-400.LiaY,LouarnbG,AubertcP,Alain-RizzoaV,GalmicheaL,AudebertaP,etal.Polypyrrole-modifiedgraphenesheetnanocompositesasnewefficientmaterialsforsupercapacitors.Carbon2016；105:510-20.WuZS,ParvezK,LiS,YangS,LiuZY,LiuSH,etal.Alternatingstackedgraphene-conductingpolymercompactfilmswithultrahigharealandvolumetriccapacitancesforhigh-energymicro-supercapacitors.AdvMater2015；27:4054-61.)但由于石墨烯与导电聚合物中复合过程中，石墨烯本身的结构缺陷问题、石墨烯的团聚问题等仍是制约其能量密度的主要因素。因此，如何提高石墨烯的氧化还原活性，弥补其结构缺陷，并解决其在复合材料中的分散问题仍需进一步研究。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术的目的是提供一种蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料的制备方法，将氨基蒽醌类电活性分子共接枝在二维石墨烯与一维碳纳米管表面，赋予石墨烯良好氧化还原活性的同时，提高其在复合材料中的分散性。其次，将二维石墨烯片与一维碳纳米管的复合接枝结构与导电聚合物进行复合，获得具有优异电化学活性的三维网络的复合材料，此种方法国内外尚未见报道。为了实现上述的专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料，是由石墨烯片层与碳纳米管构筑的三维网络结构，导电聚合物以颗粒的形式生长在石墨烯片与碳纳米管的表面，该复合材料表现出良好的超电容特性。其中，碳纳米管的尺寸为20-40nm，石墨烯片层尺寸为1-2μm。一种蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料的制备方法，步骤如下：步骤(1)将二氨基蒽醌加入至乙醇中，溶解后形成溶液；所述的二氨基蒽醌为1,4-二氨基蒽醌，2,6-二氨基蒽醌，1,5-二氨基蒽醌，1,2-二氨基蒽醌中的一种；二氨基蒽醌的浓度为1-20g/L。步骤(2)将氧化石墨烯、环氧化碳纳米管加入乙醇中，搅拌并超声分散均匀，形成氧化石墨烯-环氧化碳纳米管分散液；分散液的浓度为0.5-10g/L；氧化石墨烯与环氧化碳纳米管的质量比为4:1-1:4。步骤(3)、将步骤(2)形成的氧化石墨烯-环氧化碳纳米管分散液加入步骤(1)的溶液中，于70-90℃回流24-48h，用乙醇和水反复清洗后，离心得到蒽醌分子共接枝碳。步骤(4)、将由步骤(3)得到的蒽醌分子共接枝碳分散至水中形成分散液；分散液的浓度为0.5-3g/L。步骤(5)、将导电聚合物单体、掺杂剂、氧化剂依次加入步骤(4)所得分散液中，混合均匀，在搅拌条件于0-30℃反应12-24h，产物用去离子水反复清洗，并于真空干燥箱内干燥，得到蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料。所述的导电聚合物单体为是苯胺、间苯二胺、吡咯、3,4-乙撑二氧噻吩中的一种；所述的掺杂剂为聚苯乙烯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、对苯二甲酸、1-芘丁酸、1,5-萘二磺酸中的一种；所述的氧化剂为三氯化铁、过硫酸铵、过硫酸钾或者1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁盐。蒽醌分子共接枝碳与导电聚合物单体的质量比为1:20-1:1，导电聚合物单体与掺杂剂的摩尔比为4:1-1:2，导电聚合物单体与氧化剂的摩尔比为1:1。本专利技术针对目前导电聚合物/石墨烯复合电极材料存在的石墨烯团聚的问题，将一维的碳纳米管利用蒽醌类电活性分子作为媒介共接枝于石墨烯纳米片上，与导电聚合物原位复合后制备得到三维网络结构的蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料，可用作超级电容器电极材料。本专利技术的积极效果如下：1、利用蒽醌电活性分子作为媒介将石墨烯纳米片与碳纳米管连接，共接枝结构的丰富的含氧基团可诱导导电聚合物聚合物在其附近聚合，获得三维网络结构可提供优异的离子传输能力，导电聚合物及蒽醌电活性分子的引入，有利于复合电极材料电化学性能的提高。2、本专利技术制备的蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合电极材料可获得较高功率及能量密度，并保持良好的循环稳定性，作为超级电容器电极材料具有良好的应用前景。3、本专利技术制备方法及设备简单、操作容易，容易扩大规模生产。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料的SEM照片，采用JSM-5610型扫描电镜(日本JEOL公司)进行测试，样品在测试前镀铂金。由SEM图像可见，复合材料呈现出石墨烯片层与碳纳米管构筑的三维网络结构，导电聚合物则以颗粒的形式生长在石墨烯片与碳纳米管的表面，碳纳米管的尺寸为20-40nm，石墨烯片层尺寸为1-2μm。图2.为本专利技术实施例1制备的蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料的循环伏安曲线(电解液：1MH2SO4，扫速＝10mV/s)。由图2可见，复合材料表现出良好的超电容特性，其电位窗口可拓宽至1.7V。图3.为本专利技术实施例1制备的蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料的充放电曲线(电解液：1MH2SO4，电流密度＝2A/g)。从图3可知，实施例1制备的复合材料的比电容可根据：计算，其中Cm为比电容，I为放电电流，△t为放电时间，m为活性物质的质量，△v为放电过程中的电压降，计算得到实施例1制备的复合材料的比电容则可达440F/g。具体实施方式以下通过具体的实施例对本专利技术的上述内容作进一步详细说明。但不应将此理解为本专利技术的内容仅限于下述实例。实施例1一种蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：(1)将1g1,4-二氨基蒽醌((购自上海将来实业有限公司))加入本文档来自技高网...

【技术保护点】
蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料，其特征在于，是由石墨烯片层与碳纳米管构筑的三维网络结构，导电聚合物以颗粒的形式生长在石墨烯片与碳纳米管的表面，该复合材料表现出良好的超电容特性；其中，碳纳米管的尺寸为20‑40nm，石墨烯片层尺寸为1‑2μm。

【技术特征摘要】
1.蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料，其特征在于，是由石墨烯片层与碳纳米管构筑的三维网络结构，导电聚合物以颗粒的形式生长在石墨烯片与碳纳米管的表面，该复合材料表现出良好的超电容特性；其中，碳纳米管的尺寸为20-40nm，石墨烯片层尺寸为1-2μm。2.权利要求1所述的蒽醌分子共接枝碳/导电聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：(1)、将二氨基蒽醌加入至乙醇中，溶解后形成溶液；(2)、将氧化石墨烯、环氧化碳纳米管加入乙醇中，搅拌并超声分散均匀，形成氧化石墨烯-环氧化碳纳米管分散液；(3)、将步骤(2)形成的氧化石墨烯-环氧化碳纳米管分散液加入步骤(1)的溶液中，于70-90℃回流24-48h，用乙醇和水反复清洗后，离心得到蒽醌分子共接枝碳；(4)、将由步骤(3)得到的蒽醌分子共接枝碳分散至水中形成分散液；分散液的浓度为0.5-3g/L；(5)、将导电聚合物单体、掺杂剂、氧化剂依次加入步骤(4)所得分散液中，混合均匀，在搅拌条件于0-30℃反应12-24h，产物用去离子水反复清洗，并于真空干燥箱内干燥，得到蒽醌分子...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩永芹，申明霞，曾少华，陆凤玲，张泽洁，薛逸娇，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32