[發明專利]一種薄層石墨烯聚合物復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210271166.8
• 申請日: 2012-08-01
• 公開（公告）號: CN102779649A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 劉立偉;耿秀梅;邱勝強;李偉偉;郭玉芬;李東方;陳明亮;龔佑品;高嵩;朱超
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01M4/583;H01M4/60
• 代理公司: 北京華夏博通專利事務所(普通合伙) 11264
• 代理人: 王鋒;孫東風

技術領域

本發明具體涉及一種薄層石墨烯聚合物復合材料的制備方法，屬于納米材料技術領域。

背景技術

能量存儲器件主要包括超級電容器和鋰離子電池。能量存儲器件中重要的組成部分是電極，電極材料及結構對能量存儲器件的性能影響顯著。以超級電容器為例，導電聚合物為電極時，其儲存電荷密度高，在充放電過程中導電聚合物發生可逆摻雜使其具有高儲存電荷能力。相比金屬氧化物電極，導電聚合物具有價格便宜，結構可調控等優點，但是導電聚合物因其本身易碎強度不高，導致電容器的循環穩定差。近來，人們發現導電聚合物與碳材料的復合是一種提高循環穩定性的方法。目前研究較多的是將氧化石墨烯、還原石墨烯等與聚合物單體聚合形成石墨烯聚合物復合材料，此類材料等表現出了良好的力學性能以及較高比電容等，但同時還有如下不足之處：其一、氧化石墨烯、還原的石墨烯具有不可恢復的缺陷，且制備過程復雜，成本高，量產困難。其二，氧化石墨烯、還原的石墨烯作為超級電容器的電極材料，循環壽命很難和當前商業化的活性碳比較。

發明內容

本發明的目的在于提出一種薄層石墨烯聚合物復合材料的制備方法，其工藝簡單，并具有較高反應效率和產率，且所獲產物具有優良力學、電學及光學性能，從而克服了現有技術中的不足。

為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案：

一種薄層石墨烯聚合物復合材料的制備方法，它為：取石墨插層化合物和/或表面吸附有催化劑的薄層石墨烯與至少一種聚合物單體形成混合反應體系，并在設定條件下進行催化聚合反應，獲得薄層石墨烯聚合物復合材料，所述石墨插層化合物中的插層劑及所述催化劑至少選自無機酸、有機酸、鹵素、金屬鹽和金屬氧化物中的任意一種。

作為優選方案之一，該方法具體為：

取石墨插層化合物與過氧化物催化反應，制得表面吸附有催化劑的薄層石墨烯，再以所述薄層石墨烯與至少一種聚合物單體形成混合反應體系，并在設定條件下進行催化聚合反應，獲得薄層石墨烯聚合物復合材料。

作為優選方案之一，取石墨插層化合物與過氧化物催化反應，制得薄層石墨烯，而后在所述薄層石墨烯上負載催化劑，再將負載有催化劑的薄層石墨烯與至少一種聚合物單體形成混合反應體系，并在設定條件下進行催化聚合反應，獲得薄層石墨烯聚合物復合材料。

優選的，所述插層劑、催化劑至少選自金屬氯化物、硫酸鐵、硝酸鐵、過硫酸銨、重鉻酸鉀、碘酸鉀和二氧化錳中的任意一種。

優選的，所述金屬氯化物至少選自氯化鐵、氯化鎳、氯化銻中的任意一種，但不限于此。

優選的，所述薄層石墨烯具有1～50層的結構，其徑向尺寸為1?μm?-200?μm。

優選的，所述石墨插層化合物與過氧化物的催化反應是在溫度為5?℃～95?℃的酸性水相體系中進行。

優選的，所述過氧化物至少選自H₂O₂、Na₂O₂、MCPBA、過氧乙酸、過氧化甲乙酮、乙醚過氧化物、四氫呋喃過氧化物、乙二醇二甲醚過氧化物、三過氧化三丙酮和過氧乙酰硝酸酯中的任意一種，但不限于此。

優選的，所述聚合物單體至少選自苯胺、吡咯和噻吩單體中的任意一種，但不限于此。

優選的，所述混合反應體系中含有0.5wt%～50wt%的石墨插層化合物和/或表面吸附有催化劑的薄層石墨烯。

優選的，所述催化聚合反應是在溫度為0-100?℃的條件下進行，反應時間為1?h-10?h。

與現有技術相比，本發明至少具有如下優點：

（1）制備石墨烯與聚合物過程簡單，且保持石墨烯的高質量。主要因為利用聚合物原位聚合的催化劑，同樣催化解理制備石墨烯，改過程保持了石墨烯的高質量且實現了聚合物與石墨烯的復合。

（2）改過程環境友好，無有毒氣體產生。

（3）改合成工藝容易放大生產。當前石墨烯與聚合物復合多采用氧化石墨烯和氧化還原的石墨烯，這些石墨烯制備過程采用多次的氧化劑氧化，工藝復雜，同時制備的氧化石墨烯具有強親水性，后處理難以清洗干凈，很難以放大。

（4）成本低。主要在于石墨烯的制備過程簡單，不需要昂貴的試劑，且插層劑或吸附的催化劑可以重復多次利用。

本發明采用高質量的石墨烯替代氧化石墨烯或氧化還原石墨烯，并將之與導電聚合物復合，充分利用二者優勢，為儲能器件的應用提供了一種生產簡單、成本低廉、容量高且安全的電極材料，其能大幅提高超級電容器等儲能器件的循環壽命，同時也能提高其容量、力學性能且降低應用的成本。