[發明專利]氮氟共摻雜多孔石墨烯/聚苯胺超級電容器電極材料及制法和應用

在審

• 申請號: 202110478301.5
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113410061A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 李華;朱本鑠;陳浩昌;王鎧豐;朱申敏;陳玉潔;劉河洲
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;H01G11/48;H01G11/86
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種氮氟共摻雜多孔石墨烯/聚苯胺超級電容器電極材料及其制備方法和應用，包括以下步驟：在劇烈攪拌下，將過氧化氫溶液緩慢加入到氧化石墨烯分散液中，水熱反應，得到多孔石墨烯水凝膠，然后放入含有吡啶氫氟酸鹽的水溶液中，得到的混合物轉移至水熱釜反應，得到氮氟共摻雜多孔石墨烯水凝膠，轉移至含有苯胺單體的氯化氫水溶液中，浸泡，轉移至含有抗壞血酸的氯化氫水溶液中，反應得到氮氟共摻雜多孔石墨烯/聚苯胺復合材料；切割成薄片，壓縮，得到氮氟共摻雜多孔石墨烯/聚苯胺超級電容器電極材料。與現有技術相比，本發明電極薄膜不僅擁有致密的結構，而且可以展現優異的體積比電容，對小型儲能設備的設計和開發有著借鑒價值。

技術領域

本發明涉及儲能材料技術領域，尤其是涉及一種氮氟共摻雜多孔石墨烯/聚苯胺超級電容器電極材料及其制備方法。

背景技術

綠色可再生能源大規模的生產輸出促進了一系列能量儲存與轉化設備的誕生與發展。超級電容器作為一種新型儲能器件，因具有卓越的功率密度以及穩定的循環壽命，而受到了科研人員的廣的關注。然而，可穿戴柔性器件等小型電子設備的發展及應用對超級電容器的體積占比提出了越來越高的要求，作為最主要的組成部分，超級電容器用電極材料在滿足高比電容、穩定的循環能力等性能的同時，必須向降低自身體積的方向努力以滿足便攜式器件的發展。

體積比電容是一個重要的衡量超級電容器用電極材料是否能夠縮小占用體積的電化學指標，眾多的工作為了提高體積比電容而盡可能去設計具備致密結構的材料，但是，提高材料結構密度的同時可能會造成重量比電容的下降。因此，若要實現優越的體積比電容，則需要找到重量比電容和材料密度可以達到最優的平衡點。石墨烯具有較大的理論電容、高電子遷移率、高比表面積和優異的機械穩定性，可以輕松的制備成有較高自身密度的三維自支撐材料。然而，石墨烯不同片層間在密度較高的結構中會容易重新聚集堆積，從而減少了可供電解質離子吸附的有效表面，阻礙了材料優異電化學性能的展現。

目前，在制備石墨烯電極材料多采用模板法和成孔法，試圖構建三維石墨烯結構，減少其片層的堆疊。但仍存在堆疊不可控，離子滲透能力不強，電化學性能提高不明顯且制備工藝復雜，模板和成孔物殘留對電極的導電性也有所影響。

專利申請CN201910349256.6公開了一種多孔石墨烯/聚苯胺膜及其制備方法與應用。該方法通過結合使用刻蝕劑過氧化氫和還原劑氫碘酸，對氧化石墨烯進行面內碳空位缺陷改性和還原處理，使其具有優異的離子傳輸和電荷轉移能力，在此基礎上通過循環伏安法電聚合苯胺單體，快速制備多孔石墨烯/聚苯胺復合電極材料。所得多孔石墨烯/聚苯胺膜在使用三電極測試其在0.5A/g的電流密度下的比質量電容最高達500F/g，在10A/g的電流密度下循環1000次，其電容保持率為92％。該發明所采用的電聚合法快速聚合制備聚苯胺復合材料，聚合度可控，復合模厚度可調，且具有三明治夾層結構，提高了復合電極的電化學性能。然而，該專利技術運用還原劑氫碘酸對氧化石墨烯進行還原，這增加了材料的生產時間和成本。并且，該專利首先將石墨烯的混合分散液抽濾成薄膜，隨后再進行苯胺的電化學聚合，這種方式難以使苯胺單體在薄膜內部聚合生長，這導致聚苯胺和石墨烯的結合程度較小，結構不穩定，另外，電化學聚合的方式需要導電支持和復雜的安裝過程，不適合大規模地制備電極材料。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種具備致密結構并可以展現較高體積比電容的氮氟共摻雜多孔石墨烯/聚苯胺超級電容器電極材料及其制備方法和應用。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種氮氟共摻雜多孔石墨烯/聚苯胺超級電容器電極材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，在劇烈攪拌下，將過氧化氫溶液以1滴/s的速度緩慢加入到氧化石墨烯分散液中，使物質混合均勻，經過10～30min的攪拌后，將混合溶液放入水熱釜中，在110-230℃下水熱反應5-15h后，冷卻至室溫，經過去離子水洗滌，得到多孔石墨烯水凝膠；