[發明專利]一種石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202010725129.4
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111777791B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 李圓圓;段冰潮;張玲麗;李靖靖;秦小轉;周秀苗;謝光輝;付俊;師運豪
• 申請（專利權）人: 鄭州工程技術學院
• 主分類號: C08J9/28
• 分類號: C08J9/28;C08J3/075;C08L33/20;C08K9/04;C08K3/04;H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;H01M4/60;H01M4/62
• 代理公司: 鄭州歐凱專利代理事務所(普通合伙) 41166
• 代理人: 毛瑞官

本發明公開了一種石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠的制備方法，屬于石墨烯氣凝膠領域，具體為：配置一定濃度的氧化石墨烯溶液，對其進行修飾引入腈基；然后將腈基修飾的氧化石墨烯溶液和聚丙烯腈納米纖維分散液混合、超聲分散；將腈基修飾的氧化石墨烯/聚丙烯腈納米纖維混合溶液經冷凍干燥、預氧化、水熱還原得石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合水凝膠；將石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合水凝膠經冷凍干燥制備石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠。本發明制備過程無毒，綠色環保，所得氣凝膠具有比表面積大、回彈性好和結構穩定等優點，可用于制備超級電容器或電池的電極材料。

技術領域

本發明屬于石墨烯氣凝膠技術領域，具體涉及一種石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠的制備方法及其應用。

背景技術

氣凝膠具有孔隙率高、比表面積大、導電性好等優點，被廣泛用于吸附材料、儲氫材料、隔熱材料等，尤其是其孔徑分布可通過物理或化學法有效調控，在電極材料領域具有潛在應用價值。

石墨烯是碳原子通過sp²雜化軌道構成的呈六角型蜂巢晶格形狀的單層片狀結構的二維材料，具有完美的二維晶體結構。石墨烯具有導電性好、電荷傳輸能力強、比表面積大、比強度高、性能穩定等優異的物理化學性能，廣泛應用于儲能、催化、通信、功能性復合材料等領域。尤其是作為電極材料，在提高比能量和延長使用壽命方面發揮不可替代的作用。實際應用時，石墨烯容易團聚，使其比表面積很難達到理想水平，導致比電容低。因此，可制備三維立體結構的石墨烯氣凝膠，以減少團聚，提高比表面積和比容量。

納米纖維由于具有較高的比表面積而成為制備電極材料的良好選擇。靜電紡絲法是制備納米纖維的最簡單的方法，因此，可利用靜電紡絲法制備聚丙烯腈納米纖維并將其與氧化石墨烯復合用于電極材料，以進一步提高其比表面積，改善電極材料的比電容。聚丙烯腈納米纖維以連續的長纖維形式存在復合氣凝膠體系中，可對氣凝膠起一定的增強作用，利于提高電極材料的使用壽命。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠制備方法及其應用。本發明首先將氧化石墨烯進行腈基化修飾，然后將其與聚丙烯腈納米纖維復合經冷凍干燥、預氧化、水熱還原、冷凍干燥等過程制備石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠。本發明可提高石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠的比表面積，減少石墨烯團聚現象的發生；同時也提供了更多的活性位點，有利于吸附更多離子，提高比電容。此外，預氧化過程中，腈基化修飾的氧化石墨烯與聚丙烯腈發生環化反應。一方面，環化反應形成的共軛結構利于離子傳輸，可使導電性提高；另一方面，環狀結構穩定，可減少充放電過程中的體積變化，利于延長使用壽命。因此，石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠的制備，能有效改善超級電容器或電池的電極材料的綜合性能。

本發明所提供的石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠，其制備過程包括：配置一定濃度的氧化石墨烯溶液，對其進行腈基化修飾；然后通過靜電紡絲法制備聚丙烯腈納米纖維，將其收集在無水乙醇中得聚丙烯腈納米纖維分散液；將修飾后的氧化石墨烯溶液與聚丙烯腈納米纖維分散液混合后超聲分散，再經過冷凍干燥、預氧化、水熱還原、冷凍干燥制備石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠。

本發明所提供的石墨烯/聚丙烯腈納米纖維復合氣凝膠的具體制備步驟如下：

(1)將氧化石墨烯分散在溶劑中，超聲分散得到穩定的氧化石墨烯(GO)溶液；

(2)將氧化石墨烯溶液進行腈基化修飾，得修飾的氧化石墨烯(m-GO)溶液；

(3)將聚丙烯腈(PAN)溶解，加熱攪拌，得到均一的淡黃色粘稠溶液，將聚丙烯腈溶液經靜電紡絲制備納米纖維，并收集在無水乙醇中，得聚丙烯腈納米纖維分散液；

(4)將修飾后氧化石墨烯與聚丙烯腈納米纖維分散液混合，超聲分散得修飾后氧化石墨烯/聚丙烯腈(m-GO/PAN)納米纖維混合液；