CN104064363B - 一种3d花瓣状石墨烯‑聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D花瓣状石墨烯‑聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法，所述电极材料以氧化石墨烯为前躯体进行功能化，以GO为前驱体，得到氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO，然后苯胺单体在ATRGO表面进行原位氧化聚合，冷冻干燥后，得到。制备：以GO为前驱体，通过GO上羟基与1,3,5‑三氯‑2,4,6‑三嗪的一缩反应，以及三嗪与对苯二胺PPD的二、三缩反应得到氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO；超声方法在水溶液中制备ATRGO水溶液，单体在功能化石墨烯表面引发原位氧化聚合；反应完毕后，冷冻干燥即得。本发明制备所用的介质为水，整个制备过程都是在水相进行，环境友好。

Description

一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料及其制备 方法

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料及其制备领域，特别涉及一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器(也称电化学电容器)由于具有高功率密度、高循环稳定性，长循环寿命、低维修成本等优势，已经成为最具应用前景的储能器件，以满足日益增长的便携式电子设备、电动汽车的需要。一个典型的电容器通常包括电极、电解质、隔板、电流收集器四个部件。其中，电极是超级电容器最关键的部件，直接决定电容器的电容量和效率。因此，开发高效的活性电极材料是制备高性能的超级电容器的关键。

聚苯胺(PANI)由于其成本低、容易制备、环境稳定性好，导电性容易控制以及高理论电容量而成为一种非常有前景的赝电容器电极材料。但PANI在掺杂/去掺杂过程中会引起PANI膨胀和收缩，从而导致电极材料的塌陷，在长时间的循环过程中，比电容迅速衰减，电容器的循环寿命不高，这也是PANI电极材料商业应用的最主要障碍。作为一种2D单原子层厚度的碳材料，石墨烯具有高导电性、高比表面积和电荷传输能力，柔性和优异的机械性能，在双电层电容器电极材料方面有很大的应用潜力。然而，石墨烯片很容易聚集，使得石墨烯电极材料的比电容较低，同样不能单独作为电极材料使用。结合高能量密度的PANI与高功率密度、高稳定性的石墨烯两种电极材料的优异性能是目前设计高性能的超级电容器电极材料的一种趋势。近几年来，科研工作者对石墨烯基-PANI杂化材料作了广泛的研究。石墨烯功能化是一种降低石墨烯聚集,提高石墨烯在聚合物基体中分散性的有效方法。石墨烯功能化一方面可以提高石墨烯的溶解性和分散性，同时还可以赋予材料新的性能。制备石墨烯基-PANI杂化材料的方法有两种：一种是共价键方法，PANI接枝到石墨烯表面，另外一种是非共价键共混的方法。与非共价键方法相比，共价键作用力强于非共价键，可以有效地增强杂化材料中两种组分的相界面作用力，增强离子扩散和电荷传输能力，使得材料的电化学性能得到提高，同时这种共价键稳定的结合，可以大批量得到结构均一性电极材料，可以有效的缓解电极材料在充放电过程中的应力松弛，提高电极的寿命。氧化石墨烯(GO)表面丰富的含氧基团(羟基，羧基，环氧基团等)不但提高了GO的分散性和溶解性，并且这些含氧基团为共价键功能化提供了可能，GO也因此成为石墨烯最常见的功能化前驱体。在这些含氧基团中，目前使用的较多的是在石墨烯边缘的羧基功能化。Kumar等首先通过酰氯化和酯化反应得到的氨基功能化还原石墨烯，然后进行还原，在石墨烯表面原位聚合得到PANI接枝石墨烯复合材料，这种复合材料呈纳米纤维和纳米棒共存的不规则形态结构，在100mV s^-1的扫描速率下，电极材料的比电容为250F g^-1(Kumar N A,Choi H J,Shin YR,Chang D W,Dai L,Baek J B.ACS Nano，2012，6(2):1715-1723)。CN102532891A专利报道了一种石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合材料及其制备方法；复合材料是经过功能化处理后获得的石墨烯氧化物通过酰胺基团与导电聚合物进行化学键连接而得到的,通过对其的还原,提高了导电性能，将此复合材料作为电极材料应用于超级电容器结合其固有的结构稳定的特点,使其具有更高的电容量。但这些接枝材料大都局限在利用石墨烯周边的羧酸基团上，在加工和电极反应过程中不可避免地造成石墨烯片的摇摆和滑移。由于GO上羟基的惰性较大，到目前为止，很少有关于利用石墨烯基部平面上的羟基功能化和由此而得到的石墨烯-聚苯胺杂化材料的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料及其制备方法，该方法通过获得特定的3D花瓣状石墨烯-聚苯胺杂化材料，从而得到高比电容和优异的可逆稳定性和高循环寿命的超级电容器电极材料，该制备方法简单，成本低，适合于工业化生产。

本发明的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料，所述电极材料以氧化石墨烯为前躯体进行功能化，得到氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO，然后苯胺单体在ATRGO表面进行原位氧化聚合，冷冻干燥后，得到3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料。

本发明的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，包括：

(1)通过化学氧化法制备得到氧化石墨烯；

(2)氧化石墨烯GO溶液中，搅拌加入碳酸氢钠，冷却至0℃后，滴加入1,3,4-三氯-2,4,6-三嗪(CC)溶液，并搅拌3-4h，然后在氮气气氛中，加入对苯二胺，室温搅拌3-4h，回流，冷却至室温，过滤，洗涤，真空干燥至恒重，得到氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO；其中氧化石墨烯、碳酸氢钠、1,3,5-三氯-2,4,6-三嗪、对苯二胺的比例关系为：400mg:(60-65)mmol:(15-17)mmol:(60-68)mmol；

(3)将上述氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO在盐酸水溶液中，超声分散，得到分散液，然后冷却到0℃后，加入苯胺单体并搅拌，再将引发剂加入到上述分散液中，在0℃下反应12-24h，离心，过滤，洗涤，冷冻干燥，即得到3D花瓣状聚苯胺-石墨烯PANI-ATRGO超级电容器电极材料；其中分散液中氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO与盐酸水溶液的质量比为1:1～100：1；氨基三嗪功能化石墨ATRGO与苯胺的质量比为1:1-1:300；引发剂与苯胺的质量比为1:1～1:10(w/w)。

所述步骤(2)中氧化石墨烯GO溶液、1,3,5-三氯-2,4,6-三嗪溶液的溶剂均为二甲基甲酰胺DMF。

所述步骤(2)中回流温度为90～120℃，时间为12-24h。

所述步骤(2)中过滤为用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯膜PTFE过滤；洗涤为分别用丙酮、DMF、正己烷、去离子水反复洗涤直到滤液为无色；真空干燥温度为45-60℃,直到恒重。

所述步骤(2)中氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO的接枝率为5-50％。

所述步骤(3)中盐酸水溶液的浓度为1M。

所述步骤(3)中超声分散时间为10-60min。

所述步骤(3)中苯胺单体在体系中的摩尔浓度为0.1～0.0001mol L^-1；引发剂为过硫酸铵APS。所述步骤(3)中过滤为用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯PTFE膜进行过滤；洗涤为分别用去离子水、乙醇、正己烷反复多次洗涤，直到滤液变为无色；冷冻干燥温度为45-60℃。

化学氧化法Hummer制备氧化石墨烯：在500mL的三颈瓶中加入3g石墨粉和1.5g硝酸钠，在冰水浴条件下缓慢加入69mL98％的H₂SO₄，之后，在剧烈搅拌下，逐渐加入9gKMnO₄，并保持温度在20℃以下；混合物在35℃下搅拌30min，然后缓慢加入138mL去离子水，温度控制在100℃以下，15min后，在体系中加入大量的去离子水和30％的H₂O₂溶液15mL，得到的氧化石墨烯悬浮液通过0.22μm聚四氟乙烯(PTFE)过滤并反复用1M的HCl和去离子水洗涤，去除过多的金属离子，直至滤液为中性，产物在减压条件下冷冻干燥48h，得到氧化石墨烯(GO)。

氨基三嗪功能化还原石墨烯(ATRGO)通过两步方法制得：首先，通过1,3,5-三氯-2,4,6-三嗪(CC)第一个氯原子与GO上的羟基的一缩反应得到一个三嗪分子修饰的氧化石墨烯(CTGO)中间体，然后，对苯二胺上的氨基分别与CTGO上的第二、三个活性氯原子发生二缩和三缩反应，同时，过量的对苯二胺在反应体系中起到还原剂的作用，氧化石墨烯(GO)通过过量的对苯二胺得到还原，最终得到氨基三嗪功能化石墨烯(ATRGO)。

PANI-ATRGO杂化材料通过苯胺单体在ATRGO水溶液中的原位氧化聚合制得。

有益效果

(1)本发明以石墨为原料，采用改进的Hummer方法制备单分散氧化石墨烯，方法简单，成本低；

(2)本发明以氧化石墨烯为前驱体，采用一步方法对石墨烯进行功能化，并使得氧化石墨烯同步得到还原，制备得到氨基三嗪功能化石墨烯，制备方法简单易行，所得的功能化石墨烯ATRGO，在水溶液具有高分散性；

(3)本发明以苯胺为单体在功能化石墨烯表面原位氧化聚合，制备方法简单，产率高；

(4)本发明所述石墨烯-聚苯胺杂化材料，通过共价键接枝的方式，一方面可以有效的固定石墨烯片，通过杂化材料的稳定性，另一方面，接枝的聚苯胺链可以作为石墨烯片的导电天线，有效的提高杂化材料的3D导电性能；

(5)本发明采用该方法制备的石墨烯-聚苯胺纳米杂化材料，具有独特的3D花瓣状结构，具有高比表面积，为电解质离子提供了快速的通道，从而提高杂化材料的比电容；

(6)石墨烯-聚苯胺杂化材料的制备所用的介质为水，整个制备过程都是在水相进行，环境友好。

附图说明

图1为PANI-ATRGO杂化材料制备流程图；

图2为PANI-ATRGO2(苯胺与ATRGO的质量比为98:2)场发射扫描电镜图；

图3为材料的红外光谱图(a)和紫外光谱图(b)；

图4为PANI-ATRGO2在不同扫描速率下的循环伏安曲线；

图5为不同含量的PANI-ATRGO杂化材料在电流密度为1时的恒电流充放电曲线；

图6为不同含量的PANI-ATRGO杂化材料在不同电流密度下的比电容；

图7为样品PANI，PANI-ATRGO5(苯胺与ATRGO的质量比为95:5(w/w))在1500次循环比电容保持比率。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

氧化石墨烯(GO)的制备：在500mL的三颈瓶中加入3g石墨粉和1.5g硝酸钠，在冰水浴条件下缓慢加入69mL98％的H₂SO₄。之后，在剧烈搅拌下，逐渐加入9g KMnO₄，并保持温度在20℃以下。混合物在35℃下搅拌30min，然后缓慢加入加入138mL去离子水，温度控制在100℃以下，15min后，在体系中加入大量的去离子水和30％的H₂O₂溶液15mL。得到的氧化石墨烯悬浮液通过0.22μm聚四氟乙烯(PTFE)过滤并反复用1M的HCl和去离子水洗涤，去除过多的金属离子，直至滤液为中性，产物在减压条件下冷冻干燥48h，得到氧化石墨烯(GO)。

氨基三嗪共价键功能化石墨烯(ATRGO)的制备：具体反应步骤如下：400mg氧化石墨烯(GO)超声分散到120mL DMF中，并在磁力搅拌下加入5.46g碳酸氢钠(NaHCO₃)(65mmol)，反应体系置于冰水浴中冷却到0℃。然后，将3g(16.26mmol)的1,3,5-三氯-2,4,6-三嗪(CC)溶解在DMF中，并通过恒压滴液漏斗滴加到上述反应溶液中，并搅拌4h。再在氮气氛中加入7.033g(65.04mmol)对苯二胺，在室温下搅拌4h后，升温，在氮气氛中回流24h。反应完成后，冷却到室温并用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯膜(PTFE)过滤，分别用丙酮、DMF、正己烷、去离子水反复洗涤直到滤液为无色，在50℃下的真空烘箱中干燥至恒重。

氨基三嗪功能化石墨烯-聚苯胺(PANI-ATRGO)杂化材料的制备：ATRGO和苯胺单体的质量投料比分别为2:98，所得到的杂化材料分别命名为PANI-ATRGO2。制备过程如下：ATRGO在1M的稀HCl溶液中超声30min后，得到均一、稳定的分散液。将上述分散液加入到单颈瓶中，在冰盐浴中冷却到0℃后，加入0.816g苯胺单体并充分搅拌。再将0.2g APS加入到上述分散液中，在0℃下反应24h。然后用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯(PTFE)膜进行过滤，分别用去离子水、乙醇、正己烷反复多次洗涤，直到滤液变为无色。纯PANI采用相同的制备工艺制得，所得产品在60℃的真空烘箱中干燥至恒重备用。

复合材料的形貌和结构分别用场发射扫描电镜(FESEM)和红外光谱仪以及紫外光谱仪进行表征，结果如图2,3(a,b)所示。FESEM说明所得纳米杂化材料为一种3D花瓣状结构形貌。氧化石墨烯的功能化和聚苯胺的接枝过程通过红外和紫外光谱得到证实，与纯聚苯胺相比，杂化材料的IR发生红移，UV-vis光谱向长波方向移动，进一步证实石墨烯接枝到了聚苯胺分子链上，形成了石墨烯-聚苯胺纳米杂化材料。

电化学性能测试采用标准的三电极测试***，以直径为3mm的玻碳电极为工作电极(WE)，1×1cm2的铂片为对电极(CE)，Ag/AgCl为参比电极(RE)，电解质溶液为1M的H₂SO₄溶液中进行恒电流充放电和循环伏安性能测试，结构如图5-7所示。超级电容器单电极的比电容，根据如下的恒定电流充放电公式进行计算：

C_s＝I×Δt/(ΔV×m)

其中，C_S为电极材料的比电容(F g^-1)，I是充放电电流(A)，Δt是放电时间(s)，ΔV是放电过程的电势差，m是单电极活性材料的质量(g)。制备的PANI-ATRGO2杂化材料在充放电电流密度为1A g^-1时的比容量为697F g^-1，而纯聚苯胺比容量为487F g^-1(图6)

实施例2

氧化石墨烯与氨基三嗪功能化石墨烯按照实施例1。

PANI-ATRGO杂化材料通过苯胺单体在ATRGO水溶液中的原位氧化聚合制得。ATRGO和苯胺单体的质量投料比为5:95，所得到的杂化材料分别命名为PANI-ATRGO5。典型的制备过程如下：ATRGO在1M的稀HCl溶液中超声30min后，得到均一、稳定的分散液。将上述分散液加入到单颈瓶中，在冰盐浴中冷却到0℃后，加入1.632g苯胺单体并充分搅拌。再将0.4gAPS加入到上述分散液中，在0℃下反应24h。然后用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯(PTFE)膜进行过滤，分别用去离子水、乙醇、正己烷反复多次洗涤，直到滤液变为无色。纯PANI采用相同的制备工艺制得，所得产品在60℃的真空烘箱中干燥至恒重备用。

超级电容器电极按照实施例1。制备的PANI-ATRGO5电极材料具有优良的可逆稳定性和对大电流的快速响应的特性，适合于在大功率密度下的充放电(图5)，杂化材料在充放电电流密度为1A g^-1时的比容量为1510F g^-1，而纯聚苯胺比容量为487F g^-1(图6)，当电流密度增加到15时，比电容为857F g^-1(比电容保持率为56.7％)，而纯聚苯胺为131(比电容的保持率为26.8％)(图7)，而且在1500次CV循环后的比电容保持率为87％，而纯聚苯胺为47％。

实施例3

氧化石墨烯与氨基三嗪功能化石墨烯按照实施例1。

PANI-ATRGO杂化材料通过苯胺单体在ATRGO水溶液中的原位氧化聚合制得。ATRGO和苯胺单体的质量比为10:90，所得到的杂化材料分别命名为PANI-ATRGO10。典型的制备过程如下：ATRGO在1M的稀HCl溶液中超声30min后，得到均一、稳定的分散液。将上述分散液加入到单颈瓶中，在冰盐浴中冷却到0℃后，加入2.448g苯胺单体并充分搅拌。再将0.6g APS加入到上述分散液中，在0℃下反应24h。然后用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯(PTFE)膜进行过滤，分别用去离子水、乙醇、正己烷反复多次洗涤，直到滤液变为无色。纯PANI采用相同的制备工艺制得，所得产品在60℃的真空烘箱中干燥至恒重备用。

超级电容器电极按照实施例1。杂化材料在充放电电流密度为1A g^-1时的比容量为1510F g^-1，而纯聚苯胺比容量为487F g^-1(图6)。

Claims (9)

1.一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，包括：

(1)通过改进的Hummer方法制备得到单分散的氧化石墨烯GO；

(2)氧化石墨烯GO溶液中，搅拌加入碳酸氢钠，冷却至0℃后，滴加入1,3,4-三氯-2,4,6-三嗪溶液，并搅拌3-4h，然后在氮气气氛中，加入对苯二胺，室温搅拌3-4h，回流，冷却至室温，过滤，洗涤，真空干燥至恒重，得到氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO；其中氧化石墨烯、碳酸氢钠、1,3,4-三氯-2,4,6-三嗪、对苯二胺的比例关系为：400mg:(60-65)mmol:(15-17)mmol:(60-68)mmol；

(3)将上述氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO在盐酸水溶液中，超声分散，得到分散液，然后冷却到0℃后，加入苯胺单体并搅拌，再将引发剂加入到上述分散液中，在0℃反应12-24h，离心，过滤，洗涤，冷冻干燥，即得到3D花瓣状聚苯胺-石墨烯PANI-ATRGO超级电容器电极材料；其中分散液中氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO与盐酸水溶液的质量比为1:1～100：1；氨基三嗪功能化石墨ATRGO与苯胺的质量比为1:1-1:300；引发剂与苯胺的质量比为1:1～1:10。

2.根据权利要求1所述的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中氧化石墨烯GO溶液、1,3,4-三氯-2,4,6-三嗪溶液的溶剂均为二甲基甲酰胺DMF。

3.根据权利要求1所述的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中回流温度为90～120℃，时间为12-24h。

4.根据权利要求1所述的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中过滤为用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯膜PTFE过滤；洗涤为分别用丙酮、DMF、正己烷、去离子水反复洗涤直到滤液为无色；真空干燥温度为45-60℃。

5.根据权利要求1所述的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中氨基三嗪功能化石墨烯ATRGO的接枝率为5-50％。

6.根据权利要求1所述的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中盐酸水溶液的浓度为1M。

7.根据权利要求1所述的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中超声分散时间为10-60min。

8.根据权利要求1所述的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中苯胺单体在体系中的摩尔浓度为0.1～0.0001mol L^-1；引发剂为过硫酸铵APS。

9.根据权利要求1所述的一种3D花瓣状石墨烯-聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中过滤为用孔径为0.22μm的聚四氟乙烯PTFE膜进行过滤；洗涤为分别用去离子水、乙醇、正己烷反复多次洗涤，直到滤液变为无色；冷冻干燥温度为50-60℃。