[發(fā)明專利]納米管狀結(jié)構(gòu)的聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410376084.9
• 申請(qǐng)日: 2014-08-02
• 公開（公告）號(hào): CN104119529A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 樊新;楊哲偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 桂林理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C08G73/02
• 分類號(hào): C08G73/02;C08K3/04;C01B31/04
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種納米管狀結(jié)構(gòu)的聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯（graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。它具有很大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性以及導(dǎo)熱性、很高的力學(xué)強(qiáng)度等獨(dú)特性質(zhì)，可以廣泛的應(yīng)用于電池和超級(jí)電容器的電極材料，引起了科學(xué)家的巨大興趣和關(guān)注。但是，石墨烯作為電極材料，具有低的比電容，同時(shí)，石墨烯及其氧化石墨烯在制備的過(guò)程中容易發(fā)生堆疊，影響了其在電解質(zhì)中的分散性和表面浸潤(rùn)性，降低了材料的比較面積以及電導(dǎo)率。因此控制石墨烯的層間距是當(dāng)前需要解決的主要課題。

聚苯胺是一種常見(jiàn)的導(dǎo)電聚合物，具有合成簡(jiǎn)單，成本低廉，大的比表面積，良好的環(huán)境穩(wěn)定性以及很高的理論比電容，作為超級(jí)電容器電極材料具有很大的應(yīng)用前景。但是獨(dú)特的儲(chǔ)能機(jī)理——摻雜和脫摻雜過(guò)程，使其在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積變化從而導(dǎo)致比容量衰減較快和循環(huán)穩(wěn)定性下降等缺點(diǎn)。

因此，通過(guò)將石墨烯和聚苯胺進(jìn)行復(fù)合，聚苯胺在石墨烯的層間聚合，有效的阻礙了石墨烯的堆疊，同時(shí)石墨烯為聚苯胺提供了骨架，增強(qiáng)了自身的機(jī)械性能，所以制備的復(fù)合材料既可以兼顧石墨烯的高的電導(dǎo)率、高比表面積以及良好的機(jī)械性能，又可以兼顧聚苯胺的高的比電容。

用化學(xué)還原法制備的石墨烯，主要使用水合肼以及硼氫化鈉作為還原劑（M.M.?Sk,?et?al,?Synthesis?of?graphene/vitamin?C?template-controlled?polyaniline?nanotubes?composite?for?high?performance?supercapacitor?electrode.?Polymer?2014,55,798-805;?K.?Zhang,?et?al,?Graphene/Polyaniline?Nanofiber?Composites?as?Supercapacitor?Electrodes.?Chem.?Mater.?2010,22,?1392-1401;?H.J.?Shin,?et?al,?Efficient?reduction?of?graphite?oxide?by?sodium?borohydride?and?its?effect?on?electrical?conductance,?Adv.?Funct.?Mater.?2009,19,1987-1992.），但是這些還原劑不僅有毒，對(duì)人體有害，而且需要在相對(duì)較高的溫度下（90℃左右）才能充分發(fā)揮還原作用，同時(shí)制備工藝繁瑣。因此，采用一種環(huán)保的以及反應(yīng)條件溫和的還原劑，對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原十分必要。本發(fā)明以維生素C作為模板，苯胺通過(guò)氫鍵自組裝，經(jīng)原位聚合后，以維生素C作為還原劑（利用維生素C較強(qiáng)的還原性）還原氧化石墨烯，一步制備具有納米管狀結(jié)構(gòu)的聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料。本發(fā)明中維生素C在反應(yīng)過(guò)程中有兩個(gè)作用：（1）苯胺以維生素C為模板進(jìn)行氫鍵自組裝，隨后通過(guò)氧化聚合與氧化石墨形成管狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；（2）綠色還原劑維生素C能夠?qū)ρ趸┻M(jìn)行還原。本思路目前未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是利用維生素C的模板作用以及還原作用，提供一種一步制備具有納米管結(jié)構(gòu)及良好電化學(xué)性能的聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的方法。

具體步驟為：

(1)氧化石墨的制備

將3克石墨粉加入到盛有270毫升硫酸和30毫升磷酸混合液的圓底燒瓶中，攪拌20分鐘，對(duì)石墨進(jìn)行預(yù)氧化；然后分次向燒瓶中加入總量為18克的高錳酸鉀，持續(xù)20分鐘以上，用冰水浴控制反應(yīng)溫度不超過(guò)35℃，對(duì)石墨進(jìn)行再氧化；1小時(shí)后，待體系溫度穩(wěn)定，設(shè)置反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)12小時(shí)，停止加熱，待體系溫度降至室溫，逐滴加入100毫升蒸餾水，控制反應(yīng)溫度不超過(guò)80℃，然后，待體系降溫至40℃以下，轉(zhuǎn)移至1升的燒杯中，再次緩慢加入100?毫升蒸餾水，冷卻至室溫，向燒杯中一次傾入300毫升含有15毫升質(zhì)量濃度為30%的過(guò)氧化氫溶液，待體系溫度降至室溫，結(jié)束反應(yīng)，體系呈亮黃色；依次用去離子水、鹽酸、乙醇對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行離心清洗，離心轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分鐘，直至體系呈中性；最后將得到的產(chǎn)物進(jìn)行真空抽濾，在50℃的真空干燥箱中干燥24小時(shí)，即制得氧化石墨。

(2)納米管狀結(jié)構(gòu)聚苯胺/石墨烯納米復(fù)合材料的制備