一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，以石墨及苯胺单体作为起始原料，在电解液中进行石墨烯的剥离以及聚苯胺单体的聚合，反应后收集电解池底部固体，经酸处理、过滤、冷冻干燥得到石墨烯/聚苯胺复合材料；本制备方法制备的复合材料可以在一个电化学过程中获得，同步实现石墨烯的剥离与苯胺的聚合，复合材料中石墨烯可为聚苯胺提供一个高效的导电载体，聚苯胺可作为隔离体防止石墨烯材料的再堆叠；制备的复合材料可作为超级电容器电极材料使用，具有较高的比电容及稳定的循环特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容器电极材料
，具体涉及一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法。
技术介绍
超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、无污染、安全性能好等特点，使其在电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广泛的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。活性炭在超级电容器上已经得到了广泛应用。近些年来，随着便携式电子设备及新能源汽车的迅猛发展，对超级电容器的要求也在不断的提高，例如在新能源汽车等领域中要求超级电容器具有更高的能量密度。伴随着这种更高的要求，活性炭材料比电容不足的局限性就越专利技术显。导电聚合物如聚苯胺、聚吡咯等作为超级电容器电极材料时相对碳材料具有较高的比电容，但其单独作为电极材料时由于聚合物的稳定性较低在循环过程中易分解失效造成电容降低。将导电聚合物与碳材料进行复合是提高其循环稳定性的有效途径，石墨烯是近年来备受关注的一种碳材料，其是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，具有超高导电性和导热性、超高强度以及超大比表面积等，这些特性非常适合作为电极活性材料的载体。现有的石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法如中国专利文件CN101985517A，CN103137342A，CN102532891A，CN105199134A所公布的，一般为先制备石墨烯材料，然后在石墨烯材料上进行聚苯胺的聚合，工艺较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于根据现有技术的不足，设计一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，此方法制作的石墨烯/聚苯胺复合材料具有比电容更高、循环性能更好、工艺过程简单、易规模化生产等特点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，以石墨及苯胺单体作为起始原料，在电解液中进行石墨烯的剥离以及聚苯胺单体的聚合，反应后收集电解池底部固体，经酸处理、过滤、冷冻干燥得到石墨烯/聚苯胺复合材料。进一步，两根石墨电极分别作为正极与负极置于无机盐水相电解液中，在3～20V电位下进行石墨烯的剥离，期间逐渐加入苯胺水溶液，进行聚苯胺的同步聚合。进一步，所述的石墨电极为直径10mm、长度15cm的石墨棒，所述的无机盐水相电解液为1M的硫酸铵溶液，正负电极之间施加5V的直流电压。更进一步，电化学反应开始5min后将苯胺水溶液按5mL/min的速度缓慢加入到电解液中，同时在电解槽底部进行搅拌使电解液成分均一，电化学过程进行100分钟，反应完成后收集电解槽底部黑色固体，过滤后置于硫酸铵溶液中搅拌10分钟，再次过滤，用去离子水洗涤至中性，洗涤后的滤饼在真空度10Pa、冷阱温度-50℃下进行真空冷冻干燥，干燥时间24小时。所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其石墨电极为柱形石墨棒、方形石墨板或石墨块。所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其无机盐水相电解液为硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、氯盐、硫酸、硝酸、磷酸或盐酸的水溶液。所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其苯胺水溶液的浓度为0.1g/L～50g/L。所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其酸处理使用的酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、柠檬酸、抗坏血酸的水溶液。所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其电化学反应过程反应时间为5～1000分钟。所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其冷冻干燥过程采用真空冷冻干燥机，所述的真空冷冻干燥机为钟罩式真空冷冻干燥机、压盖式真空冷冻干燥机或原位式真空冷冻干燥机本专利技术的有益效果是：1，使用本专利技术的制备方法聚苯胺纳米颗粒均匀的分散于石墨烯骨架中，能够通过石墨烯的支撑提高聚苯胺的稳定性及复合材料整体导电性。使用本专利技术的制备方法得到的石墨烯/聚苯胺复合材料还可以消除石墨烯片层本身的再堆叠现象，可作为超级电容器电极材料使用，具有较高的比电容及稳定的循环特性；2，本专利技术公开的制备方法工艺过程简单、易规模化生产。附图说明图1是本专利技术电化学剥离与聚合过程示意图；图2是本专利技术实施例3制备的石墨烯/聚苯胺复合材料的扫描电镜照片；图3是本专利技术实施例3制备的石墨烯/聚苯胺复合材料制成超级电容器电极后1A/g时的充放电曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。根据图1所示，本专利技术公开了一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，采用电化学方法对石墨烯进行剥离的同时实现苯胺单体的原位聚合，反应后收集电解池底部固体，经酸处理、过滤、冷冻干燥得到石墨烯/聚苯胺复合材料，该复合材料中石墨烯含量（重量比）为1%～99%，石墨烯片层尺寸为100nm～500m，该复合材料中聚苯胺呈纳米颗粒形态，粒径为10～1000nm，比电容为100～800F/g，具有制备效率高、可批量生产的优势，并且复合材料中石墨烯与聚苯胺具有协同效应，有助于电极材料整体性能的提高。具体步骤为：将两根石墨电极分别作为正极与负极分别置于无机盐水相电解液中，期间逐渐加入苯胺水溶液，进行聚苯胺的同步聚合，石墨烯的剥离与苯胺的聚合在一个双电极过程中同步发生。所述的石墨电极包括柱形石墨棒、方形石墨板、石墨块以及其他形状的石墨制品，所述的无机盐水相电解液包括硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、氯盐、硫酸、硝酸、磷酸以及盐酸等的水溶液，诸如(NH4)2SO4，K2SO4，Na2SO4,NH4Cl,NH4NO3等，所述的苯胺水溶液的浓度为0.1g/L～50g/L，优选用去离子水配置苯胺水溶液，浓度为5g/L，所述的酸处理的过程使用的酸溶液包括硫酸、盐酸、硝酸等无机酸以及柠檬酸、抗坏血酸等有机酸的水溶液，所述的电化学反应过程反应时间为5～1000分钟，所述的冷冻干燥过程采用真空冷冻干燥机，所述的真空冷冻干燥机为钟罩式真空冷冻干燥机、压盖式真空冷冻干燥机或原位式真空冷冻干燥机。下面通过实例进一步说明本专利技术。实施例1实施例1是本专利技术的基本实施例。一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，以石墨及苯胺单体作为起始原料，在无机盐水相电解液中进行石墨烯的剥离与苯胺单体的聚合。将两根石墨棒分别作为正极与负极置于无机盐水相电解液中，然后在两电极之间施加3～20V的直流电压。用去离子水配置苯胺水溶液，浓度为0.1～50g/L，然后在电化学过程中逐渐把苯胺水溶液加入无机盐水相电解液，电化学反应后，收集电解池底部固体，经酸处理、过滤、冷冻干燥得到石墨烯/聚苯胺复合材料。实施例2实施例2是在实施例1基础上进一步实施例。所述的石墨棒直径10mm，长度15cm，分别作为正极与负极置于浓度为1M的硫酸铵电解液中，然后在两电极之间施加5V的直流电压；用去离子水配置苯胺水溶液，浓度为10g/L；所述电化学反应开始5min后将苯胺水溶液按5mL/min的速度缓慢加入到电解液中，同时在电解池底进行搅拌使电解液成分均一，电化学过程进行时间为100分钟。实施例3实施例3是在实施例2基础上进一步实施例，如图2和图3所示。在电化学反应完成后收集电解池底部黑色固体，过滤后置于浓度为1M的硫酸铵溶液中搅拌10分钟进行酸处理，然后过滤，用去离子水洗涤至中性，洗涤后的滤饼在10Pa，冷阱温度-50℃下进行真空冷冻干燥，干燥时间24小时，得到石墨烯/聚苯胺复合材料，石墨烯厚度为1～5层，聚苯胺形态为纳米颗粒，直径10～1000nm。实施例4实施例4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其特征在于：以石墨及苯胺单体作为起始原料，在电解液中进行石墨烯的剥离以及聚苯胺单体的聚合，反应后收集电解池底部固体，经酸处理、过滤、冷冻干燥得到石墨烯/聚苯胺复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其特征在于：以石墨及苯胺单体作为起始原料，在电解液中进行石墨烯的剥离以及聚苯胺单体的聚合，反应后收集电解池底部固体，经酸处理、过滤、冷冻干燥得到石墨烯/聚苯胺复合材料。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其特征在于，将两根石墨电极分别作为正极与负极置于无机盐水相电解液中，在3～20V电位下进行石墨烯的剥离，期间逐渐加入苯胺水溶液，进行聚苯胺的同步聚合。3.根据权利要求2所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其特征在于，所述的石墨电极为直径10mm、长度15cm的石墨棒，所述的无机盐水相电解液为1M的硫酸铵溶液，正负电极之间施加5V的直流电压。4.根据权利要求3所述的一种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，其特征在于，电化学反应开始5min后将苯胺水溶液按5mL/min的速度缓慢加入到电解液中，同时在电解槽底部进行搅拌使电解液成分均一，电化学过程进行100分钟，反应完成后收集电解槽底部黑色固体，过滤后置于硫酸铵溶液中搅拌10分钟，再次过滤，用去离子水洗涤至中性，洗涤后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，侯旭，李文斌，裴波，李俊，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42