石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料制造技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料，以经过水热法处理在Fe2O3的诱导协同作用下形成多孔隙的内部相互连通的空间结构的氧化石墨烯为模板，表面嫁接聚苯胺和TiO2纳米颗粒形成，其中，TiO2纳米颗粒的粒径为10

【技术实现步骤摘要】
石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料


[0001]本专利技术涉及一种石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料，属于电容电极材料


技术介绍

[0002]超级电容器，又名双电层电容器，因其高功率存储容量、长周期循环稳定性、灵活的工作温度和对环境友好的特性成为一种潜在的储能器件。但是超级电容器的储能容量相对同体积的电池来说是比较低的。在超级电容器中，赝电容电极因法拉第反应获得较高的能量密度和比电容从而成为重要的研究内容。
[0003]导电聚合物由于成本低、存储容量大、易于合成，被广泛用于超级电容器的研究开发。目前已有各种导电聚合物如聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PTh)和聚(3,4
‑
乙烯氧基噻吩)(PEDOT)等作为超级电容器电极材料的报导，其在大电位范围(
‑
1～+1V)下表现出良好的超电容性能，为研究者钟爱的正负极候选材料。然而，导电聚合物电极基超级电容器在插/脱插过程中可能会发生膨胀和收缩，导致电极的机械降解和循环稳定性差。为了克服这些问题，研究人员探索了不同的策略，如优化形貌、掺杂和开发与其他材料的复合材料，合成了用于新一代存储器件的复合材料。在此背景下，碳材料如石墨烯量子点、碳纳米管(CNTs)、2D石墨烯、3D石墨烯等，被广泛地用于复合材料的开发设计，以促进电子/离子传导，增加电活性界面，避免/减少连续充/放电过程中的复合材料的团聚或机械降解。
[0004]由碳材料和赝电容材料组成的复合电极中，以石墨烯为基础搭建的三维网络结构可以有效改善复合电极的整体电化学性能，而赝电容来自金属氧化物/氢氧化物或导电聚合物。该独特组合改善了复合电极的电化学行为，提高了循环稳定性。其原因可归结为石墨烯与赝电容材料组成的三维网络结构为赝电容电极材料提供了一个强大的快速的电荷转移平台，以确保其在高电流密度下的理想速率性能；三维网络的多孔结构为电容电极材料提供了较大的比表面积，使电解质离子能够轻松快速地进入电极材料表面。此外，赝电容电极材料与高导电性的石墨烯之间的协同作用也提高了复合电极的总电容进而改善了复合电极的性能。然而，现有的石墨烯与赝电容三维网络结构复合材料电极的比电容和循环稳定性仍不理想，它们的应用仍然非常有限。探索具有卓越超电容性能的先进功能电极材料仍为目前需要解决的重要问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料，可以有效解决上述问题。
[0006]本专利技术是这样实现的：
[0007]一种石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料，以经过水热法处理在Fe2O3的诱导协同作用下形成多孔隙的内部相互连通的空间结构的氧化石墨烯为模板，表面嫁接聚苯胺和TiO2纳米颗粒形成，其中，TiO2纳米颗粒的粒径为10
‑
20nm，聚苯胺呈短纤维
状；所述三维电容电极材料不含Fe。
[0008]作为进一步改进的，所述三维电容电极材料中，氧化石墨烯、聚苯胺和TiO2纳米颗粒在产物中的质量比为0.8
‑
1.2：0.8
‑
1.2：0.2
‑
0.4。
[0009]作为进一步改进的，所述水热法处理为：将氧化石墨烯、铁盐、尿素和水混合，于100
‑
120℃条件下水热反应2.5
‑
3.5h。
[0010]一种上述的石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1，制备TiO2前驱物；
[0012]S2，将TiO2前驱物用碱液配置成溶液，再水热反应，然后重新配置成TiO2水溶液；
[0013]S3，将氧化石墨烯、铁盐、尿素和水混合，进行水热反应，清洗，得到表面带有少量Fe2O3纳米颗粒的氧化石墨烯；
[0014]S4，取步骤S3得到的氧化石墨烯，分散于水中，加入铁盐、TiO2水溶液和磷酸，搅拌反应，再加入苯胺单体，搅拌反应，得溶液A；
[0015]S5，取过硫酸铵加入磷酸溶液中，完全溶解后缓慢滴加到溶液A中，搅拌反应，过滤，清洗，得到的粉体在含抗坏血酸的磷酸溶液中搅拌，以除去粉体中的Fe2O3及Fe
3+
，过滤，清洗，晾干，即得所述的石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料。
[0016]作为进一步改进的，步骤S1具体为：取纯水、乙醇、乙二醇、HCl混合均匀后，在70
‑
80℃且搅拌条件下缓慢滴加入钛酸正四丁酯和乙二醇的混合溶液；滴加结束后反应溶液在70
‑
80℃条件下持续搅拌22
‑
26h，高速离心并用无水乙醇清洗，即得TiO2前驱物。
[0017]作为进一步改进的，步骤S2中水热反应的温度为140
‑
160℃，时间为22
‑
26h。
[0018]作为进一步改进的，步骤S2中，TiO2水溶液的质量浓度为8％
‑
12％。
[0019]作为进一步改进的，步骤S3中，所述水热反应的温度为100
‑
120℃，时间为2.5
‑
3.5h。
[0020]作为进一步改进的，步骤S5中，得到的粉体在含抗坏血酸的磷酸溶液中搅拌的时间为22
‑
26h。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]本专利技术提出了一种以Fe2O3为中间体合成的石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料，该材料具有较高的比电容和稳定性。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0024]图1是PANI/TiO2/G(A、B)和3D PANI/TiO2/G(C、D)形貌结构的SEM图。
[0025]图2是3D PANI/TiO2/G等系列电极在1M H2SO4溶液中2mV/s扫描速度下的循环伏安曲线。
[0026]图3是3D PANI/TiO2/G等系列电极在1M H2SO4溶液中1A/g电流密度下的充放电曲线。
[0027]图4是3D PANI/TiO2/G等系列电极在1M H2SO4溶液中的初始和2A/g电流密度下循环充电2000圈后的循环伏安曲线；扫描速度为2mV/s。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料，其特征在于，以经过水热法处理在Fe2O3的诱导协同作用下形成多孔隙的内部相互连通的空间结构的氧化石墨烯为模板，表面嫁接聚苯胺和TiO2纳米颗粒形成，其中，TiO2纳米颗粒的粒径为10
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20nm，聚苯胺呈短纤维状；所述三维电容电极材料不含Fe。2.根据权利要求1所述的石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料，其特征在于，所述三维电容电极材料中，氧化石墨烯、聚苯胺和TiO2纳米颗粒在产物中的质量比为0.8
‑
1.2：0.8
‑
1.2：0.2
‑
0.4。3.根据权利要求1所述的石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料，其特征在于，所述水热法处理为：将氧化石墨烯、铁盐、尿素和水混合，于100
‑
120℃条件下水热反应2.5
‑
3.5h。4.一种权利要求1至3所述的石墨烯表面嫁接聚苯胺/二氧化钛的三维电容电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，制备TiO2前驱物；S2，将TiO2前驱物用碱液配置成溶液，再水热反应，然后重新配置成TiO2水溶液；S3，将氧化石墨烯、铁盐、尿素和水混合，进行水热反应，清洗，得到表面带有少量Fe2O3纳米颗粒的氧化石墨烯；S4，取步骤S3得到的氧化石墨烯，分散于水中，加入铁盐、TiO2水溶液和磷酸，搅拌反应，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：林玲玲，陈峰，王佳伟，许品生，叶陈清，
申请(专利权)人：宁德师范学院，
类型：发明
国别省市：