[發明專利]一種石墨烯/MnO2/共軛聚合物復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201210503378.4
• 申請日: 2012-12-01
• 公開（公告）號: CN103013056A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 鄭玉嬰;林錦賢;杜奇峰
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: C08L65/00
• 分類號: C08L65/00;C08K9/00;C08K9/02;C08K3/22;C08K3/04;H01G9/042
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明屬于超級電容器電極材料制備領域，具體涉及一種石墨烯/MnO₂/共軛聚合物復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著經濟的快速發展和人口的急劇增長，人類所依靠的資源和能源日益枯竭，開發經濟、高效的新能源是當今世界解決這些問題的重要課題。一方面，人們大力開發風能、太陽能、海洋能以及核能。另一方面，科學工作者們正積極開發節能、高效儲能新設備。

超級電容器即電化學電容器，是一種能量密度和功率密度介于傳統電容器和二次電池之間的新型儲能元件。超級電容器的出現使得電容器的電容達到法拉級別，是傳統電容器的20~200倍。其具有比功率高、能量密度大、充放電時間短和循環壽命長等優點，彌補了二次電池功率低、壽命短以及傳統電容器能量密度低的缺點。另外，超級電容器的工作溫度范圍寬、安全和對環境無污染的特點，使其稱為現代新型，實用的儲能元件，具有非常廣泛的應用前景。

為了保證超級電容器擁有良好的電化學性能，所選擇的電極材料必須容易在電極與電解液的界面產生較高的雙電層電容或者法拉第準電容，并且擁有較好的力學性能和電子、離子導電性。在超級電容器的發展歷程中，人們使用了各種不同的電極材料，主要分為如下三類：碳材料、金屬氧化物和導電聚合物。

單一組分的材料用作超級電容器存在比電容不高、能量密度低或者循環穩定性差等缺點，如，碳材料的比電容相對較低，MnO₂的導電率較低，導電聚合物的循環穩定性較差。為了彌補以上缺陷，二元或者三元復合材料用作電容器研究越來越廣泛。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯/MnO₂/共軛聚合物復合材料及其制備方法和應用，該方法所需的原料廉價，制備方法簡單，所制備的三元復合材料比電容高，具有良好的導電性，可以用作高比電容量、高比能量的超級電容器復合電極。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種石墨烯/MnO₂/共軛聚合物復合材料，其特征在于：共軛聚合物和MnO₂納米粒子均勻分布在石墨烯片層表面和片層之間。

一種制備如上所述的石墨烯/MnO₂/共軛聚合物復合材料的方法包括以下步驟：

（1）采用改進的Hummer方法制備氧化石墨：在冰浴條件下，向250mL的圓底燒瓶中依次加入濃硫酸和濃磷酸，在溫度為0℃攪拌，緩慢加入0.5~2g天然鱗片石墨，然后分批加入4~8g高錳酸鉀，升溫至40~60℃反應8~12h；停止反應，冷卻到室溫，緩慢加入270~330mL含有8~12mL?質量分數為25~35%?的H₂O₂溶液，過濾，用質量分數為3~7%的鹽酸洗滌2~4次，再用去離子水洗滌2~4次，最后以3500~4500轉/秒離心7~13min，除去上層溶液，真空干燥，得到氧化石墨；

（2）石墨烯/MnO₂復合物的制備：將氧化石墨加入到去離子水中，超聲60~100min，得到均勻分散的氧化石墨懸浮液，氧化銦錫導電玻璃分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗，晾干待用；將氧化石墨懸浮液均勻涂覆在氧化銦錫導電玻璃上，面積為0.5~1.5cm²，常溫下干燥；以涂覆氧化石墨的氧化銦錫導電玻璃為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極，0.02~0.1mol/L?Mn(CH₃COO)₂與0.1mol/L?Na₂SO₄的混合溶液作為電解質，電壓范圍為-1.5~0?V，掃描速率為20~100mV/s下，循環伏安掃描10~20圈；

（3）石墨烯/MnO₂/共軛聚合物復合材料的制備：配制0.05~0.15mg/mL的聚{3,6-二乙烯基-N-丁基咔唑-2,5-二辛氧基苯}的氯仿溶液，將所配溶液涂覆在工作電極上，重復幾次，然后真空干燥，隨著涂覆次數的不同，分別制備聚合物為1~10%的石墨烯/MnO₂/共軛聚合物復合材料。

步驟（1）中濃硫酸與濃磷酸的體積比為9:1。

步驟（2）中氧化石墨懸浮液的濃度為1.5mg/mL。

一種如上所述的石墨烯/MnO₂/共軛聚合物復合材料的應用于超級電容器復合電極材料。