[發明專利]一種石墨烯-聚苯胺納米顆粒復合薄膜電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201610236877.X
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN105788880B
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發明（設計）人: 胡南滔;楊超;張麗玲;楊志;張亞非
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01G11/36
• 分類號: H01G11/36;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發明提供了一種石墨烯?聚苯胺納米顆粒復合薄膜電極，其由石墨烯和聚苯胺納米顆粒復合形成，其中聚苯胺納米顆粒為聚苯乙烯磺酸鈉摻雜的聚苯胺納米顆粒，其尺寸為20～100nm。本發明的石墨烯?聚苯胺納米顆粒復合薄膜電極制備方法簡單易操作、安全可靠、易于規模化大面積制備石墨烯復合薄膜電極。更重要的是，其具有良好的力學性能以及電化學性能，尤其具有很高的面積電容性能和體積電容性能，優異的循環穩定性和化學穩定性。此外，本發明簡單地通過對聚苯胺納米顆粒含量和薄膜厚度的調節可實現對石墨烯?聚苯胺納米顆粒復合薄膜的力學性能以及面積電容性能和體積電容性能的調控，在超級電容器儲能領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及納米儲能領域，具體涉及一種石墨烯-聚苯胺納米顆粒復合薄膜電極及其制備方法。

背景技術

石墨烯作為新興材料，具有柔性、優良的化學穩定性、快速的電子遷移率、高導電導熱率、高比表面積、優異的力學性能等優點，成為理想的儲能電極材料之一。石墨烯作為極好的電極材料被廣泛地應用于超級電容器，基于雙電層原理，石墨烯具有良好的電容性能，尤其具有超高的功率密度。體積比電容作為衡量超級電容器用電極材料電化學性能的一個重要參數，受到人們越來越多的關注。目前，大部分碳材料電極的體積比電容小于60F/cm3，不能滿足超級電容器的應用要求，因此，研究多孔導電的具有高堆積密度的電極材料成為高體積性能超級電容器的發展趨勢。人們研究了石墨烯水凝膠經過不可逆壓縮后，體積密度可達1.33g/cm3，體積比電容可達255.5F/cm3，展現出良好的體積電容性能。

但是，由于石墨烯片層與片層之間存在π-π堆積作用，平行堆砌結構導致石墨烯比表面積減小，極大地限制了石墨烯薄膜電極材料的儲能性能。為了提高石墨烯薄膜電極的電化學性能，目前常用的方法主要是制備多孔結構石墨烯水凝膠和添加導電聚合物或金屬氧化物。然而，石墨烯水凝膠薄膜電極的力學性能很差，使得在實際應用中存在很大的局限。因此，通過適當的添加導電聚合物或金屬氧化物，在保證良好力學性能的前提下，盡最大程度的提高其電化學性能成為制備高比電容值且具有良好力學性能的柔性石墨烯薄膜電極材料的有效方法。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，為了更好的提高石墨烯電極的體積電容性能，本發明在石墨烯納米片層之間引入了聚苯乙烯磺酸鈉摻雜的聚苯胺納米顆粒。該顆粒在水中分散性較好，與石墨烯層層堆積形成致密的復合薄膜。

一方面，本發明提供了一種石墨烯-聚苯胺納米顆粒復合薄膜電極，其由石墨烯和聚苯胺納米顆粒復合形成，其中所述聚苯胺納米顆粒為聚苯乙烯磺酸鈉摻雜的聚苯胺納米顆粒，其尺寸為20～100nm。

另一方面，本發明還提供了上述石墨烯-聚苯胺納米顆粒復合薄膜電極的制備方法。此制備方法簡單、快速，得到的石墨烯-聚苯胺納米顆粒復合薄膜電極具有良好的力學性能和電化學性能，尤其具有較高的體積電容性能。本發明的石墨烯-聚苯胺納米顆粒復合薄膜電極的制備方法包括以下步驟：

A、制備還原氧化石墨烯分散液：在室溫下，將氧化石墨烯分散于水中，加入表面活性劑，超聲分散得到氧化石墨烯分散液；然后向所述氧化石墨烯分散液中加入還原劑，加熱至90～120℃，反應5～24h后得到第一還原氧化石墨烯分散液。

在上述步驟A中，所述的氧化石墨烯可通過Hummers法、Brodie法或Staudenmaier法制得，所述氧化石墨烯分散液的溶度為0.5～5mg/mL。所述表面活性劑可為陽離子表面活性劑或陰離子表面活性劑，例如聚丙烯酰胺、十二烷基磺酸鈉、曲拉通X-100、十二烷基苯磺酸鈉等。所述超聲分散采用頻率為40～200kHz、功率為50～200W的超聲作用，作用時間為0.5～3h。所述還原劑優選為水合肼，水合肼的加入量為1～5mL。