[發(fā)明專利]芘基季銨鹽修飾超級(jí)電容器用石墨烯分散液的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811552451.0
• 申請(qǐng)日: 2018-12-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109534331A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王道林;熊新爽;郭思彤;張曉良;邢錦娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 渤海大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/194
• 分類號(hào): C01B32/194;H01G11/36
• 代理公司: 沈陽(yáng)亞泰專利商標(biāo)代理有限公司 21107
• 代理人: 郭元藝

本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種芘基季銨鹽修飾超級(jí)電容器用石墨烯分散液的制備方法，系通過(guò)芘基季銨鹽將石墨烯粉體或團(tuán)聚態(tài)漿料分散于溶劑中，經(jīng)過(guò)機(jī)械分散，即得目的產(chǎn)物；所述芘基季銨鹽的制備方法如下：（1）于反應(yīng)器中，將4?（1?）芘丁酸甲酯加入N,N?二甲基乙二胺或N,N?二甲基丙二胺的乙醇溶液中，通過(guò)酰胺化反應(yīng)得到酰胺中間體；（2）將所得酰胺中間體在乙二醇二甲醚中，通過(guò)與丙磺酸內(nèi)酯或丁磺酸內(nèi)酯的季銨化反應(yīng)得到目的產(chǎn)物芘基季銨鹽。本發(fā)明制備工序簡(jiǎn)單，含量高，性能穩(wěn)定，石墨烯分散液用于超級(jí)電容器電極材料，構(gòu)成的超級(jí)電容器具有低的內(nèi)阻和高的靜電容量，以及優(yōu)良的循環(huán)特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種芘基季銨鹽修飾超級(jí)電容器用石墨烯分散液的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)以及熱學(xué)等性質(zhì)，被廣泛用于金屬晶體管、超級(jí)電容器、非線性光學(xué)材料、納米復(fù)合材料載體、電化學(xué)傳感器、藥物載體、儲(chǔ)氫材料、氣體吸附劑、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。石墨烯片層間有較強(qiáng)的范德華力，非常容易發(fā)生聚集，使其難溶于水及常用的有機(jī)溶劑，大大影響實(shí)際應(yīng)用中石墨烯性能的發(fā)揮。因此，為了充分發(fā)揮其優(yōu)良性質(zhì)，制備均一、高穩(wěn)定性的石墨烯分散體系是其在眾多領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重要條件。

直接制備石墨烯分散液的一種方法是將石墨或膨脹石墨直接加在某種有機(jī)溶劑或表面活性劑水溶液中，借助超聲波、加熱或研磨的作用制備一定濃度的單層或多層石墨烯溶液。溶劑分子或表面活性劑分子通過(guò)π-π堆積與疏水作用等吸附在石墨烯表面，依靠靜電排斥或分子間作用力，實(shí)現(xiàn)石墨烯的有效分散。文獻(xiàn)報(bào)道的溶劑有二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-吡咯烷酮(NMP)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、鄰二氯苯、乙腈、三氯甲烷等，表面活性劑有十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、膽酸(SDC)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、吐溫80、曲拉通X100等。石墨烯的液相直接分散法制備過(guò)程不涉及化學(xué)變化，具有成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是得到的石墨烯分散液濃度較低，僅能達(dá)到0.1％(質(zhì)量比)；有機(jī)溶劑可以得到較高濃度的石墨烯分散液，分散濃度可以超過(guò)1％(質(zhì)量比)，但成本高，且其沸點(diǎn)較高，不易除去，從而對(duì)最終性能，尤其是電學(xué)和熱學(xué)性能，造成不利的影響，因此限制了石墨烯的進(jìn)一步應(yīng)用。

一種間接制備石墨烯分散液的方法，是先對(duì)石墨進(jìn)行強(qiáng)氧化處理，得到表面和邊緣擁有大量的羥基、羧基、環(huán)氧等基團(tuán)的氧化石墨烯，這些官能團(tuán)使其容易與其它試劑發(fā)生反應(yīng)，得到改性的氧化石墨烯，然后再通過(guò)還原得到親水性的修飾石墨烯，具有在水溶液中的良好分散性。但這些方法中均使用了強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，對(duì)設(shè)備要求高，而且得到的石墨烯其晶體結(jié)構(gòu)也極不完整，有大量缺陷存在，從而限制了其在功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

超級(jí)電容器(雙電層電容器)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高能量電能存儲(chǔ)元件,具有高功率密度、高循環(huán)壽命、可快速?zèng)_放電和對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)節(jié)器、傳感器、微機(jī)存儲(chǔ)器的后備電源、機(jī)動(dòng)車輛的啟動(dòng)裝置、風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)等潔凈能源系統(tǒng)，因而受到關(guān)注。

石墨烯是碳原子以sp²雜化體系緊密堆積成的蜂窩狀二維晶格結(jié)構(gòu)碳納米材料，具有良好的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。石墨烯單分子層的厚度使其具有超高的理論表面積和極高的面內(nèi)載流子傳輸性能，因此，石墨烯是一種理想的制備高能量密度功率型超級(jí)電容器用電極材料。然而，由結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的苯六元環(huán)組合而成的石墨烯，其惰性的表面難以被電解液潤(rùn)濕，同時(shí)石墨烯的片與片之間有較強(qiáng)的范德華力，還原過(guò)程中容易發(fā)生團(tuán)聚，比表面積下降，導(dǎo)致石墨烯表面的電雙層形成效率和電解質(zhì)離子傳輸速率降低。