[發明專利]一種碳納米管/聚吡咯復合海綿及其制備方法

有效

• 申請號: 201310373206.4
• 申請日: 2013-08-23
• 公開（公告）號: CN103450682A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 李培旭;曹安源;韋進全;朱宏偉;王昆林;吳德海
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C08L79/04
• 分類號: C08L79/04;C08G73/06;C08K7/00;C08K3/04;C25B3/00;B82Y30/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

本發明屬于碳納米復合材料合成與應用領域，涉及一種碳納米復合材料的制備方法，特別涉及一種碳納米管/聚吡咯復合海綿及其制備方法。

背景技術

碳納米管自1991年由日本電鏡專家S.Iijima發現以來，因其具有獨特的結構和優異的性能，引起了廣泛的關注。隨著碳納米管長絲、碳納米管薄膜、定向碳納米管陣列等，不同形態和結構的碳納米管宏觀體的可控制備與合成，極大的拓展了碳納米管的應用領域，而制備具有三維宏觀尺寸的碳納米宏觀體，將有助于實現碳納米管的大規模應用。

桂許春等人通過化學氣相沉積的方法，合成了一種由碳納米管纏繞堆積而成、具有多孔結構的碳納米管海綿，在吸能減震、強化復合材料、油污吸附及環保領域展現了豐富的應用潛力。李培旭等人研究了碳納米管海綿在電容器方面可以用作高度可壓的超級電容器電極材料，但由于碳納米管的儲能機理所限，碳納米管海綿的質量比電容值不高。將有機導電聚合物與碳納米管復合，是提高電容性能的有效手段。在眾多的有機導電聚合物中，聚吡咯由于其具有價格低廉、環境友好和合成容易等優勢，在超級電容器領域廣泛應用。Jurewicz等人將聚吡咯與多壁碳納米管粉末復合，有效提高了復合材料的比電容；Schnoor等人實現了聚吡咯與定向碳納米管陣列復合。而聚吡咯與碳納米管海綿的復合材料尚未有人研究，如何對復合材料的微觀結構進行優化調控，通過復合手段進一步提高復合材料的電化學性能，拓寬其應用領域仍是研究的熱點。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種碳納米管/聚吡咯復合海綿及其制備方法，通過該方法可控合成出具有多孔結構、力學性能好、電化學性能優異的復合海綿材料。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種碳納米管/聚吡咯復合海綿，由具有微觀芯殼結構的復合管堆疊纏繞而成，具有多孔結構，所述復合管由碳納米管及包覆在碳納米管外的一層厚度均勻的聚吡咯構成。

所述多孔結構由2-50nm的中孔和50-100nm的大孔組成，孔是由所述復合管堆疊纏繞產生的，所述的堆疊纏繞指大量的復合管無序纏繞在一起。

所述聚吡咯的厚度最好為5-80nm。

本發明還提供了所述碳納米管/聚吡咯復合海綿的制備方法，包括如下步驟：

1）化學氣相沉積法：設置反應爐，在其石英反應室內放入石英基底，進行加熱，同時通入氬氣排凈反應室內空氣；當石英基底達到820-940℃后，在氫氣/氬氣的混合氣氛下，向反應室內通入二茂鐵/二氯苯碳源溶液；反應后在氬氣保護下隨爐冷卻，在石英基底收集得到呈塊體的碳納米管海綿；

2）吸附復合法：將得到的碳納米管海綿塊體完全浸泡入吡咯/丙酮溶液，保持一定時間后，得到吸附有吡咯的海綿塊體，取出待用；

3）電化學聚合法：設置電化學工作站，將得到的吸附有吡咯的海綿塊體用作工作電極，采用鉑對電極和銀/氯化銀參比電極，浸沒在高氯酸鈉溶液中通電一定時間，吸附在碳納米管壁外的吡咯發生電聚合，形成聚吡咯，得到碳納米管/聚吡咯復合海綿。

所述步驟1）中，為排凈反應室內空氣通入氬氣流量為800mL/min；反應時，氫氣流量為100-500mL/min，氬氣流量為2000mL/min，同時通入；二茂鐵/二氯苯碳源溶液的濃度為20-100mg/mL，進給速度為0.1-0.3mL/min，反應時間為4h；冷卻時，氬氣流量為100mL/min。

所述步驟2）中，吡咯/丙酮溶液的濃度為0.1-1mol/L，浸泡時間為0.5-2h。

所述步驟3）中，高氯酸鈉溶液的濃度為0.1-0.5mol/L，工作電壓為0.5-0.9V，通電時間為5-30min。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：

1、本發明復合海綿具有循環壓縮穩定性，在50%的壓縮應變下，循環壓縮1000次以上不被破壞，復合海綿中聚吡咯的質量含量可控。

2、本發明所制得的碳納米管/聚吡咯復合海綿，是呈三維塊體的多孔材料，相比于背景技術中的粉末狀和定向陣列的復合材料，具有更優異的力學性能和結構穩定性，拓寬了應用范圍。

3、本發明所制得的碳納米管/聚吡咯復合海綿，聚吡咯均勻的包覆在單根碳納米管的外壁上，形成芯殼結構，微觀結構優異，相比于單純碳納米管海綿，聚吡咯層有效的增強了復合海綿的力學性能、結構穩定性以及電化學性能，同時聚吡咯層的厚度均勻、可控，保證了復合材料中，聚吡咯含量的有效調控。