原位聚合聚苯胺—磺化石墨烯复合材料在电极材料中的应用的制作方法

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，更加具体地说，涉及一种聚苯胺—磺化石墨烯复合电极材料及其制备方法。

背景技术：

电化学超级电容器作为一种新型储能元件，因其比功率大、储存能力强、充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长等优点受到了广泛的关注。常见的用于聚苯胺掺杂酸包括无机小分子质子酸(盐酸、硫酸、高氯酸等)和分子质量较大，尺寸较大的有机功能质子磺酸(对甲基苯磺酸、磺基水杨酸、十二烷基苯磺酸等)。当尺寸较大的对阴离子掺杂到聚苯胺中，可以降低其分子间相互作用力，聚苯胺分子以伸展链构象存在，结果有利于其电荷离域化，增大链间电导率，使聚苯胺样品电导率增大。并且可以在苯胺单体聚合时充当模板的作用。

Samulski等人采用硼氢化钠还原、对氨基苯磺酸重氮盐磺化和水合肼还原三步法制备得到分散性和共轭结构均较好的有机功能磺酸——磺化石墨烯，其表面接有的磺酸基团为一个强水溶性的强酸性基团，有利于磺化石墨烯在有机溶剂或聚合物中的分散，且较完整的碳原子共轭结构也使其保有较好导电性。(Yongchao Si,Edward T.Samulski.Synthesis of Water Soluble Graphene[J].NANO LETTERS,2008,8(6):1679-1682)。Hao等人通过界面聚合法合成了磺化石墨烯/聚苯胺复合电极材料，在0.1Ag^-1电流密度下，比电容为278Fg^-1。但是由于界面法通常会使用有机溶剂，不利于做到清洁生产，并且反应过程中，苯胺单体和磺化石墨烯分布在两相中，不利于苯胺单体的充分掺杂。(Qingli Hao,Hualan Wang,Xujie Yang,Lude Lu,Xin Wang.Morphology-Controlled Fabrication of Sulfonated Graphene/Polyaniline Nanocomposites by Liquid/Liquid Interfacial Polymerization and Investigation of their Electrochemical Properties[J].Nano Res.,2011,4(4):323–333)。

最近也有相关文献报道在无机酸存在体系下合成磺化石墨烯/聚苯胺复合电极材料进行性能研究，(Biao Ma,Xiao Zhou,Hua Bao,Xingwei Li,Gengchao Wang.Hierarchical composites of sulfonated graphene-supported vertically aligned polyaniline nanorods for high-performance supercapacitors[J].Journal of Power Sources,2012,215:36-42)。专利(磺化单层石墨与聚合物复合材料及其制备和应用，CN 101381507A)介绍了磺化石墨烯和聚苯胺(分子量1000～10000)共混物的制备在有机电致光显示和有机太阳能电池等有机光电器件中的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种聚苯胺—磺化石墨烯复合电极材料及其制备方法，该制备方法过程简单，快速和环保，其制得的复合电极材料，具有比电容高，倍率性能优异，循环稳定性好等优点，适合用于超级电容器电极材料。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

聚苯胺—磺化石墨烯复合电极材料及其制备方法，以苯胺单体和磺化石墨烯充分混合均匀，原位聚合合成聚苯胺/磺化石墨烯复合材料，按照下述步骤进行：

步骤1，将磺化石墨烯在去离子水中分散均匀，具体来说，磺化石墨烯溶解在一定量的去离子水中，使用超声波细胞粉碎机(功率200W)在冰浴环境下超声分散3～5h使其分散均匀；

步骤2，聚苯胺—磺化石墨烯复合材料的制备，将苯胺单体加入步骤1分散均匀的溶液中，继续超声分散，并在冰浴下恒速搅拌，再向其中滴加硫酸铵水溶液，在0.5h～1h内滴加完毕，在冰浴下继续反应4～6h，聚合后清洗干燥，得到前驱体，之后再将前驱体分散在硫酸水溶液中，搅拌浸泡使硫酸对前驱体进行充分掺杂，之后进行过滤得到聚苯胺—磺化石墨烯复合材料；

具体来说，将苯胺单体加入到上述溶液中，之后再继续超声1～3h，然后在冰浴下恒速搅拌12h。逐滴滴加过硫酸铵水溶液，0.5h～1h内滴加完毕，然后继续反应4～6h。聚合结束后，用去离子水和乙醇反复洗涤产物直至滤液颜色为无色以去除残留的单体和引发剂等。最后将得到的产物在60℃下真空干燥20～24h，得到前驱体。之后再将前驱体分散在1mol L^-1～5mol L^-1的硫酸水溶液中，搅拌浸泡6～12h使硫酸对前驱体进行充分掺杂，之后进行过滤得到聚苯胺/磺化石墨烯复合材料。其中苯胺单体和过硫酸铵的摩尔比保持为1：1，所加磺化石墨烯和苯胺单体的质量比范围为(1：100)—(1：1)，优选(1：50)—(1：10)。

步骤3，制备复合电极，将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中配成浓度50～100mg/ml的溶液，按照质量比聚苯胺—磺化石墨烯复合材料：乙炔黑：聚偏氟乙烯＝80：(10—15)：(10—5)的比例分别量取相应物质，于玛瑙研钵中研磨均匀，将浆料涂覆在集流体不锈钢片上干燥，即得到聚苯胺－磺化石墨烯复合电极材料；

具体来说，将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中配成浓度50～100mg/ml的溶液，按照质量比聚苯胺—磺化石墨烯复合材料：乙炔黑：聚偏氟乙烯＝80：(10—15)：(10—5)的比例分别量取相应物质，于玛瑙研钵中研磨均匀，将浆料涂覆在集流体不锈钢片上干燥，然后在真空烘箱中60℃下干燥20～24h，得到聚苯胺－磺化石墨烯复合电极材料。

使用透射电镜进行形貌分析(TEM仪器型号Philips，Tecnai G2F20)，当加入磺化石墨烯后，苯胺单体被磺酸基团掺杂，加入引发剂后，聚苯胺趋向于在磺化石墨烯表面进行生长，形成纤维状聚苯胺(如图1所示)，磺化石墨烯和聚苯胺复合后形成了层状结构。

电化学测试所使用的仪器为电化学工作站(上海辰华仪器有限公司，CHI660D)，将制备的电极材料涂覆在不锈钢工作电极上，本发明制备的质量为4mg左右，测试采用三电极工作体系，其中以制备的电极为工作电极；Ag/AgCl电极和铂片分别作为参比电极和辅助电极。电化学测试所使用的电解液均为1mol L^-1硫酸的水溶液。其中循环伏安的电压范围为-200～800mV，扫描速率为5mV s^-1；比电容随磺化石墨烯与苯胺单体质量比的变化趋势即是由5mV s^-1下的循环伏安计算所得。恒电流充放电的电压范围为-200～800mV，在衡量倍率性能时，电流密度分别为0.1、0.2、0.5、1、3、5、10Ag^-1，评估稳定性时，是在1Ag^-1下循环1000次进行测试，每循环100次取一个点计算比电容，与初始即开始循环前比电容的比值即为电容保持率。

从图2可以看出，经过硫酸进行第二次掺杂(虚线)的循环伏安曲线下的面积大于只用磺化石墨烯掺杂(实线)的面积，表明了浸泡在硫酸中，电极材料的比电容有了一定程度的提高，硫酸对聚苯胺中未经掺杂的进行质子化，最终提高了共轭程度，从而提高比电容。图3中圆点表示经硫酸掺杂制得的聚苯胺/磺化石墨烯的比电容随质量比变化曲线，方块组成的曲线为在未经硫酸掺杂，其余条件同与原点制得的聚苯胺/磺化石墨烯的比电容随质量比变化曲线。从图中可以看出，在四种不同质量比下，经硫酸掺杂的比电容都得到了提高，再次表明了浸泡在硫酸中对聚苯胺进行了进一步的掺杂。

聚苯胺和磺化石墨烯/聚苯胺复合材料在不同电流密度(0.1Ag^-1～10Ag^-1)下的比电容如图4所示。从图中可以看出，在相同的电流密度下，磺化石墨烯/聚苯胺复合材料的比电容均显著高于聚苯胺。当电流密度从0.1Ag^-1增加到10Ag^-1，磺化石墨烯/聚苯胺复合材料的比电容保持有74％，而聚苯胺只有26％的电容保持率。由此可得，磺化石墨烯/聚苯胺复合材料的倍率性能较好，这是由于磺化石墨烯具有良好导电性的结果。另外，在电流密度为10Ag^-1时，复合材料的比电容500Fg^-1，是聚苯胺高出近八倍，这表明了磺化石墨烯/聚苯胺复合材料在超级电容器电极材料方面有望被实用化。经磺化石墨烯掺杂后的聚苯胺和纯聚苯胺的循环稳定性结果如图5所示，从图中可以得出，经过1000次充放电循环后，磺化石墨烯/聚苯胺复合材料的比电容只损失了2.8％，表现出较好的循环稳定性，而纯聚苯胺经过相同的测试条件后，只保持有初始容量的67.5％。对比之下显著改善的循环稳定性是由于磺化石墨烯大分子酸的导入和两种组分间的协同效应。从形貌结构图中可以看出，磺化石墨烯和聚苯胺复合后形成了层状结构，其可以有效承担聚苯胺氧化还原过程中发生的机械变形，阻止了电极材料的结构破坏，从而导致了稳定性的显著提高。

本发明因使用原位聚合方法制备聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料，不需要有机溶剂、高温高真空条件以及特殊的反应仪器，与聚苯胺/石墨烯复合电极材料的其他制备方法比较制备过程简单，制备成本低廉。在反应起始阶段没有加入小分子酸，使为了是磺化石墨烯充分掺杂聚苯胺，这种大分子酸的对阴离子掺杂到聚苯胺中，可以降低其分子间相互作用力，结果有利于其电荷离域化，增大链间电导率，使聚苯胺样品电导率增大。并且其可以在苯胺单体聚合时充当模板的作用。之后再在硫酸溶液中浸泡，使得起初聚苯胺中没有进行掺杂的部位进行有效掺杂，以提高其共轭程度，改善电导率，结果在保障高电荷离域化程度的同时，也使掺杂度有效提高，从而使得复合电极材料的电化学性能得到很大改善。

附图说明

图1是本发明制得的聚苯胺/磺化石墨烯的透射电镜图。

图2是本发明制备的聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料和对比例的循环伏安曲线，其中虚线为本发明制备的聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料(经过硫酸进行第二次掺杂)，实线为对比例(使用磺化石墨烯掺杂)。

图3是本发明制备的聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料和对比例的，其中圆点表示本发明制备的聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料(经硫酸掺杂制得的聚苯胺/磺化石墨烯)的比电容随质量比变化曲线，方块表示对比例(使用磺化石墨烯掺杂)。

图4为本发明制得的聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料和对比例制得的聚苯胺的倍率性能曲线，其中圆点为聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料，方点为依照步骤2制备的聚苯胺(不添加磺化石墨烯)。

图5为本发明制得的聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料和对比例制得的聚苯胺的循环稳定性曲线图，其中圆点为聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料，方点为依照步骤2制备的聚苯胺(不添加磺化石墨烯)。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。使用聚偏氟乙烯选择常用PVDF规格牌号761(法国阿科玛公司)。

实施例1

279mg的磺化石墨烯溶解在10mL的去离子水中，使用超声波细胞粉碎机(200W)在冰浴环境下超声分散3h使其分散均匀；将279mg的苯胺单体加入到上述溶液中，之后再继续超声1h，然后在冰浴下恒速搅拌12h。逐滴滴加过硫酸铵水溶液，0.5h内滴加完毕，然后继续反应4h。聚合结束后，用去离子水和乙醇反复洗涤产物直至滤液颜色为无色以去除残留的单体和引发剂等。最后将得到的产物在60℃下真空干燥24h，得到前驱体。之后再将前驱体分散在1mol L^-1的硫酸溶液中，搅拌浸泡12h使硫酸对前驱体进行充分掺杂，之后进行过滤得到聚苯胺/磺化石墨烯复合材料。其中苯胺单体和过硫酸铵的摩尔比保持为1:1；

将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中配成浓度50mg/ml的溶液。按照质量比活性物质:乙炔黑:聚偏氟乙烯＝80:10:10的比例分别量取相应物质，于玛瑙研钵中研磨均匀，将浆料涂覆在集流体不锈钢片上，然后在真空烘箱中60℃下干燥24h，称取各个质量并计算出合成活性物质的质量。得到聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料。

实施例2

5.58mg的磺化石墨烯溶解在10mL的去离子水中，使用超声波细胞粉碎机(200W)在冰浴环境下超声分散3h使其分散均匀；将279mg的苯胺单体加入到上述溶液中，之后再继续超声1h，然后在冰浴下恒速搅拌12h。逐滴滴加过硫酸铵水溶液，0.5h内滴加完毕，然后继续反应4h。聚合结束后，用去离子水和乙醇反复洗涤产物直至滤液颜色为无色以去除残留的单体和引发剂等。最后将得到的产物在60℃下真空干燥24h，得到前驱体。之后再将前驱体分散在1mol L^-1的硫酸溶液中，搅拌浸泡12h使硫酸对前驱体进行充分掺杂，之后进行过滤得到聚苯胺/磺化石墨烯复合材料。其中苯胺单体和过硫酸铵的摩尔比保持为1:1，所加磺化石墨烯和苯胺单体的质量比范围为1:50；

将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中配成浓度50mg/ml的溶液。按照质量比活性物质:乙炔黑:聚偏氟乙烯＝80:10:10的比例分别量取相应物质，于玛瑙研钵中研磨均匀，将浆料涂覆在集流体不锈钢片上，然后在真空烘箱中60℃下干燥24h，称取各个质量并计算出合成活性物质的质量。得到聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料。

对比例1

5.58mg的磺化石墨烯溶解在10mL的去离子水中，使用超声波细胞粉碎机(200W)在冰浴环境下超声分散3h使其分散均匀；将279mg的苯胺单体加入到上述溶液中，之后再继续超声1h，然后在冰浴下恒速搅拌12h。逐滴滴加过硫酸铵水溶液，0.5h内滴加完毕，然后继续反应4h。聚合结束后，用去离子水和乙醇反复洗涤产物直至滤液颜色为无色以去除残留的单体和引发剂等。最后将得到的产物在60℃下真空干燥24h，得到聚苯胺/磺化石墨烯复合材料。其中苯胺单体和过硫酸铵的摩尔比保持为1:1；

将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中配成浓度50mg/ml的溶液。按照质量比活性物质:乙炔黑:聚偏氟乙烯＝80:10:10的比例分别量取相应物质，于玛瑙研钵中研磨均匀，将浆料涂覆在集流体不锈钢片上，然后在真空烘箱中60℃下干燥24h，称取各个质量并计算出合成活性物质的质量。得到聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料。

实施例3

27.9mg的磺化石墨烯溶解在10mL的去离子水中，使用超声波细胞粉碎机(200W)在冰浴环境下超声分散3h使其分散均匀；将279mg的苯胺单体加入到上述溶液中，之后再继续超声1h，然后在冰浴下恒速搅拌12h。逐滴滴加过硫酸铵水溶液，0.5h内滴加完毕，然后继续反应4h。聚合结束后，用去离子水和乙醇反复洗涤产物直至滤液颜色为无色以去除残留的单体和引发剂等。最后将得到的产物在60℃下真空干燥24h，得到前驱体。之后再将前驱体分散在1mol L^-1的硫酸溶液中，搅拌浸泡24h使硫酸对前驱体进行充分掺杂，之后进行过滤得到聚苯胺/磺化石墨烯复合材料。其中苯胺单体和过硫酸铵的摩尔比保持为1:1；

将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中配成浓度50mg/ml的溶液。按照质量比活性物质:乙炔黑:聚偏氟乙烯＝80:15:5的比例分别量取相应物质，于玛瑙研钵中研磨均匀，将浆料涂覆在集流体不锈钢片上，然后在真空烘箱中60℃下干燥24h，称取各个质量并计算出合成活性物质的质量。得到聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料。

实施例4

9.3mg的磺化石墨烯溶解在10mL的去离子水中，使用超声波细胞粉碎机(200W)在冰浴环境下超声分散3h使其分散均匀；将279mg的苯胺单体加入到上述溶液中，之后再继续超声1h，然后在冰浴下恒速搅拌12h。逐滴滴加过硫酸铵水溶液，0.5h内滴加完毕，然后继续反应6h。聚合结束后，用去离子水和乙醇反复洗涤产物直至滤液颜色为无色以去除残留的单体和引发剂等。最后将得到的产物在60℃下真空干燥24h，得到前驱体。之后再将前驱体分散在1mol L^-1的硫酸溶液中，搅拌浸泡24h使硫酸对前驱体进行充分掺杂，之后进行过滤得到聚苯胺/磺化石墨烯复合材料。其中苯胺单体和过硫酸铵的摩尔比保持为1:1；

将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中配成浓度50mg/ml的溶液。按照质量比活性物质:乙炔黑:聚偏氟乙烯＝80:15:5的比例分别量取相应物质，于玛瑙研钵中研磨均匀，将浆料涂覆在集流体不锈钢片上，然后在真空烘箱中60℃下干燥24h，称取各个质量并计算出合成活性物质的质量。得到聚苯胺/磺化石墨烯复合电极材料。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。