模板电沉积法制备有序的聚苯胺纳米管阵列赝电容电极的方法及应用与流程

本发明属于电化学技术领域，尤其涉及聚苯胺有序纳米管阵列的合成及其在柔性全固态赝电容电容器中的应用。

背景技术：

电化学电容器也叫超级电容器，由于其功率密度高、能量密度大、循环寿命长、无污染、成本低等优点[Wang L,Feng X,Ren L,Piao Q,Zhong J,Wang Y,Li H,Chen Y,Wang B.2015,J.Am.Chem.Soc.,137,4920-4923.]，引起了巨大的关注。

众所周知，传统的超级电容器使用不能压缩的包装材料和液态的电解液，而液态的电解液在使用的过程中容易发生泄漏，这会极大地影响电极材料的电容性能。与传统的超级电容器相比，使用固态电解质的全固态电容器没有复杂的制备过程，不存在电解质泄露等情况。近来，便携式和可穿戴的电子设备的快速发展极大地促进了柔性储存装置的发展。但是，目前市场上的便携式和可穿戴的电子设备还存在一些不足，限制了其在市场上的推广和应用，如，成本较高、稳定性不足、寿命较短，再现性能差等。

聚苯胺作为重要的导电高分子之一，它具有很多优点，如成本低、易合成以及高的理论比电容[Meng Y,Wang K,Zhang Y,Wei Z.Adv.Mater,2013,25:6985-6990]。Xie等人采用电化学的方法合成了聚苯胺,并将其应用于赝电容电容器的电极材料中，并对其氧化还原赝电容性质进行了研究[Xie Y,Liu Y,Zhao Y,Tsang Y,Lau S,Huang H,Chai Y.J.Mater.Chem.A2014,2:9142-9149]。

本发明的目的在于提出一种制备可用于柔性全固态超级电容器的有序纳米管阵列赝电容电极的方法，所述方法获得的赝电容电极能够克服现有产品中的某些不足，例如成本高、寿命短、不稳定、次品率高等。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明提供了一种用模板电沉积法制备有序的阵列赝电容电极的方法，及其在柔性全固态超级赝电容电容器中的应用。目前，还鲜有用模板电沉积法制备有序的阵列赝电容电极的方法，并提出研究其电容性质的方法。本发明的技术方案如下所述：

本发明提供一种模板电沉积法制备聚苯胺阵列赝电容电极的方法，所述方法包括如下步骤:

步骤一：将聚碳酸酯薄膜(PC)通过电子束蒸发来修饰50-100nm的金(优选85nm的金)，以用来作为集电器。

步骤二：用0.1M H₂SO₄,0.5M Na₂SO₄和0.1M苯胺配制电沉积溶液。

步骤三：通过循环伏安法来制得聚苯胺阵列赝电容电极。在电沉积的过程中，Au/PC薄膜用来作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝分别用来作为参比和对电极。

其中，步骤二中，硫酸、苯胺和硫酸钠的用量比为硫酸：苯胺：硫酸钠＝670μL:185μL:1.42g；可以先将硫酸钠和硫酸配置成混合水溶液，再将苯胺添加到混合溶液中，并搅拌均匀。步骤三中，循环伏安法使用的扫描速度为50mV s^-1、电位窗口为-0.4to 1.0V。

本发明提供的聚苯胺有序纳米管阵列可用于超级赝电容电容器的电极材料。通过电化学工作站来评价其电容性质，结果表明其具有良好的循环稳定性和寿命。同时，本发明的原料来源广泛，成本较低，所述方法的设备简单、操作方便，可再现性强，便于扩大生产和推广。

本发明还提供上述模板电沉积法制备的聚苯胺有序纳米管阵列电极的应用，其可作为电极材料，用于对称的柔性的全固态赝电容电容器。具体使用时，可以将PVA/H₂SO₄均匀的涂抹在两片聚苯胺有序纳米管阵列赝电容电极材料上，将两片电极材料进行自组装形成柔性全固态的超级电容器。

本发明制备的聚苯胺有序纳米管阵列电极在用于赝电容超级电容器的电极材料时，具备电化学活性高、面积比电容高、稳定性和重现性好、寿命长等优点。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述制备方法，操作简单、易操作、条件温和、原料来源广、成本低；

2、获得的聚苯胺有序纳米管阵列电极在用于赝电容超级电容器的电极材料时，具备电化学活性高、面积比电容高、稳定性和重现性好、寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的聚苯胺有序纳米管阵列电极的电子扫描图；

图2A为本发明实施例1制备的不同沉积圈数的聚苯胺纳米管在100mV s^-1扫速下的循环伏安曲线；

图2B为本发明实施例1制备的不同沉积圈数的聚苯胺纳米管在100mV s^-1扫速下的面积比电容；

图2C为本发明实施例1制备的不同沉积圈数的聚苯胺纳米管在电流密度为1.0mA cm^-2条件下的恒电流充放电曲线；

图2D为本发明实施例1制备的不同沉积圈数的聚苯胺纳米管在电流密度为1.0mA cm^-2条件下的面积比电容。

具体实施方式：

下面结合具体实施例，来说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例通过如下步骤制备聚苯胺有序纳米管阵列电极：

步骤一：将聚碳酸酯薄膜通过电子束蒸发来修饰85nm的金。

步骤二：取1.42g Na₂SO₄和22.3ml 0.1M H₂SO₄分散到20ml H₂O中，超声直至形成均一稳定的溶液，加入185μL苯胺单体，继续超声至溶液再次均一。

步骤三：用上面配置的溶液作为电沉积液，使用扫描速度为50mV s^-1、电位窗口为-0.4to 1.0V的循环伏安法沉积不同的圈数制得管径不同的聚苯胺有序纳米管阵列。在电沉积的过程中，Au/PC薄膜用来作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝分别用来作为参比和对电极。

图1为本实施例制备的聚苯胺有序纳米管阵列电极的电子扫描图，其中，在Au/PC薄膜沉积不同圈数聚苯胺的扫描图(A,B)60圈,(C,D)80圈,(E,F)100圈,(G,H)120圈和(I,J)140圈，由图可见聚苯胺纳米管显示了较好的阵列结构。

将所得的聚苯胺有序纳米管阵列按照所需要的形状裁剪两片大小完全相同的电极材料。将PVA/H₂SO₄均匀的涂抹在两片电极材料上，将两片电极材料进行自组装形成柔性全固态的超级电容器。通过电化学工作站来评价其电容性质，其结果如图2所示，结果表明其具有良好的电化学性能。

实施例2

本实施例通过如下步骤制备聚苯胺有序纳米管阵列电极：

步骤一：将聚碳酸酯薄膜通过电子束蒸发来修饰50nm的金。

步骤二：取1.42g Na₂SO₄和22.3ml 0.1M H₂SO₄分散到20ml H₂O中，超声直至形成均一稳定的溶液，加入185μL苯胺单体，继续超声至溶液再次均一。

步骤三：用上面配置的溶液作为电沉积液，使用扫描速度为50mV s^-1、电位窗口为-0.4to 1.0V的循环伏安法沉积不同的圈数制得管径不同的聚苯胺有序纳米管阵列。在电沉积的过程中，Au/PC薄膜用来作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝分别用来作为参比和对电极。

实施例3

本实施例通过如下步骤制备聚苯胺有序纳米管阵列电极：

步骤一：将聚碳酸酯薄膜通过电子束蒸发来修饰100nm的金。

步骤二：取1.42g Na₂SO₄和22.3ml 0.1M H₂SO₄分散到20ml H₂O中，超声直至形成均一稳定的溶液，加入185μL苯胺单体，继续超声至溶液再次均一。

步骤三：用上面配置的溶液作为电沉积液，使用扫描速度为50mV s^-1、电位窗口为-0.4to 1.0V的循环伏安法沉积不同的圈数制得管径不同的聚苯胺有序纳米管阵列。在电沉积的过程中，Au/PC薄膜用来作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝分别用来作为参比和对电极。