[發明專利]二維氧化鐵摻雜介孔聚吡咯/石墨烯復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201711368147.6
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN108010748B
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發明（設計）人: 李倩;麥亦勇;朱姝妍;田豪;王楠;徐富貴;張鵬飛
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01G11/34
• 分類號: H01G11/34;H01G11/36;H01G11/86;H01M4/36
• 代理公司: 31220 上海旭誠知識產權代理有限公司
• 代理人: 鄭立<國際申請>=<國際公布>=<進入國

本發明公開了一種二維氧化鐵摻雜介孔聚吡咯/石墨烯復合材料的制備方法，該制備方法以氯化鐵為催化劑，在石墨烯兩側原位合成片層介孔聚吡咯，從而形成具有三明治異質結構的二維氧化鐵摻雜介孔聚吡咯/石墨烯復合材料。本發明還公開了一種二維N摻雜C/四氧化三鐵/石墨烯復合材料的制備方法。本發明的方法得到的二維氧化鐵摻雜介孔聚吡咯/石墨烯復合材料和二維N摻雜C/氧化鐵/石墨烯復合材料，在超級電容中獲得極高的比容量和很好的穩定性，并能夠催化氧化還原反應，在能源材料領域具有很好的應用前景。

技術領域

本發明涉及金屬氧化物摻雜的二維介孔導電高分子/石墨烯復合材料，尤其涉及一種二維氧化鐵介孔聚吡咯/石墨烯復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

近年來，石墨烯作為一種典型的二維材料，得到人們廣泛地研究。石墨烯具有良好的導電性、高比表面積、獨特的力學性能和熱性能，使得它在能源存儲和轉換方面具有很好的應用前景。但研究表明，石墨烯容易發生聚集，極大地限制了它在電極材料方面的應用。

導電高分子如聚吡咯由于具有低成本、高存儲容量和良好的化學可修飾性等特點，能夠運用于超級電容器電極。介孔導電高分子具有介孔結構和高導電性，能夠增加電極材料的比表面積，并且介孔能夠減少物質從外電極到內界面的擴散距離，同時能夠起到離子緩沖的作用。

因此，研究人員將具有介孔性質的導電高分子覆蓋在石墨烯兩面，形成二維三明治異質結構，能夠有效地減少石墨烯的團聚，同時能夠進一步地提高超級電容器的性能。嵌段聚合物自組裝可以用于合成結構有序，尺寸可控的納米材料，常作為介孔材料合成的軟模板。

例如，有研究報道利用PEO-b-PS嵌段聚合物為模板，在石墨烯片兩側原位生成介孔聚吡咯，形成二維三明治異質結構的材料(如圖1)。但所得材料性能單一，且比電容較低(385F/g)。

然而，現有的硬模板制備介孔材料的方法比較繁瑣，且模板不易去除，毒性較大。

現有技術中還未出現有金屬氧化物摻雜的二維介孔導電高分子/石墨烯復合材料。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種金屬氧化物摻雜的二維介孔導電高分子/石墨烯復合材料及其制備方法。

為實現上述目的，本發明的第一方面提供了一種二維氧化鐵摻雜介孔聚吡咯/石墨烯復合材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法以氯化鐵為催化劑，在石墨烯兩側原位合成片層介孔聚吡咯，從而形成具有三明治異質結構的二維氧化鐵摻雜介孔聚吡咯/石墨烯復合材料。

進一步地，本發明的二維氧化鐵摻雜介孔聚吡咯/石墨烯復合材料的制備方法具體包括以下步驟：

步驟一、嵌段聚合物自組裝：采用雙嵌段聚合物在溶液中自組裝形成球形膠束，得到聚合物膠束溶液，所述球形膠束用作介孔軟模板；通過改變嵌段聚合物中PS的鏈段長度，可以實現孔徑可控。

步驟二、將1.5mL采用Hummers方法修飾的濃度為1mg/L的石墨烯溶液和75μL吡咯加入所述聚合物膠束溶液中，攪拌1h后，加入225mg的六水合氯化鐵，然后在冰浴下攪拌24h，所得混合物經過離心、分離、洗滌、干燥后分散于乙醇中，在150℃下水熱處理12h，從而獲得所述二維氧化鐵摻雜介孔聚吡咯/石墨烯復合材料。

進一步地，所述步驟一包括以下步驟：

步驟1.1、將0.05g的雙嵌段聚合物溶于5mL四氫呋喃中；

步驟1.2、在步驟1.1得到的溶液中加入15mL甲醛和去離子水，使得聚合物形成球形膠束，其中甲醛和去離子水的體積比為1:1；

步驟1.3、在步驟1.2得到的具有球形膠束的混合溶液中加入25mL去離子水，以固定聚合物的形貌，從而形成聚合物膠束溶液。