一种自支撑石墨烯‑聚苯胺纳米线复合材料的制备方法与流程

本发明属于石墨烯复合材料的制备领域，特别涉及一种自支撑石墨烯-聚苯胺纳米线复合材料的制备方法。

背景技术：

石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，近年来被科学界广泛研究。作为一种单原子片层材料，它不仅是构造零维富勒烯量子点、一维碳纳米管的基本结构单元，而且可以构造三维的石墨。由于它独特的晶体结构，石墨烯具有许多优异的物理化学性质，如高的力学性能、热导率、电荷迁移率、大的比表面积以及独特的量子霍尔效应等。因此,它也被应用到很多方面,包括高分子复合材料、场效应晶体管、液晶显示,能量存储等。

自1977年Shirakawa等首次报道掺杂聚乙炔具有金属电导(电导率为10³～10⁵S/cm)以来,各种导电高子如PPy、PTH、聚对苯乙烯(PPV)和聚苯胺(Polyaniline，PANI)以及他们的衍生物相继问世。PANI因为制备容易、稳定性好，是实际应用最多的有机共轭导电聚合物之一。通过模板合成法、自组装法、界面聚合法等多种合成技术可制备出纳米棒、纳米管、纳米纤维等形态各异的聚苯胺纳米材料。其中电化学自组装的方法简单、可控，可在无模板的情况下直接制备出聚苯胺纳米线。随着纳米科技的发展,聚苯胺纳米结构尤其是一维纳米结构(如纳米线、纳米管、纳米棒等)的成功制备使人们认识到纳米聚苯胺在电子传输、光学和力学等方面显现的独特的尺寸和维度效应,预示着聚苯胺纳米结构在纳米传感器、分子导线及光电纳米器件构建等领域具有广阔的潜在应用前景。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种自支撑石墨烯-聚苯胺纳米线复合材料的制备方法，方法简便，条件温和，所形成的复合材料具有多级纳米结构。极大地提高了材料的比表面积。该方法工艺简单可靠，有效降低成本，具有广泛的应用前景。

本发明的一种自支撑石墨烯-聚苯胺纳米线复合材料的制备方法，包括：

(1)氧化石墨加入水中，超声分散，得到氧化石墨分散液，然后进行还原，真空抽滤，得到自支撑的石墨烯薄膜；

(2)将上述自支撑的石墨烯薄膜用十二烷基硫酸钠SDS溶液处理后作为工作电极，铂片作为对电极，在电解液中用三段电流的方法，在石墨烯上原位生长出聚苯胺纳米线，即得自支撑石墨烯-聚苯胺纳米线复合材料。

所述步骤(1)中氧化石墨分散液的浓度为0.01～1mg/mL。

所述步骤(1)中还原具体为：磁力搅拌条件下，将水合肼和氨水加入氧化石墨分散液中，加热到70～100℃，并保持0.5～2h。

石墨烯分散液、水合肼、氨水的体积比为1500～2500:0.5～5:3～7。

所述水合肼的质量百分浓度为80～85％、氨水的质量百分浓度为20～30％。

所述步骤(1)中真空抽滤为：用0.22μm孔径的PVDF膜抽滤。

步骤(1)中得到自支撑的石墨烯薄膜在高温下退火还原，具体为：在氩气气氛下，高温200～500℃下维持0.5～3h，退火。

所述步骤(2)中十二烷基硫酸钠SDS溶液的质量百分浓度为0.01～5％。

所述步骤(2)中电解液为苯胺和高氯酸的混合液，其中电解液中苯胺的浓度为0.1～1M、高氯酸的浓度为0.5～1.0M。

所述步骤(2)中三段电流的方法为：先用0.1～0.05mA/cm²处理0.1～1h，再用0.08～0.03mA/cm²处理2～5h，最后用0.03～0.01mA/cm²处理2～5h。

自支撑石墨烯-聚苯胺纳米线复合材料在气体传感方面的应用。

有益效果

(1)本发明的制备方法简便，原料易得，条件温和；

(2)本发明通过原位方法在石墨烯基底上生长出聚苯胺的纳米线，其结构可控，界面结合稳定。

附图说明

图1为实施例1制备的自支撑石墨烯-聚苯胺纳米线复合材料表面的扫描电镜图；

图2为实施例1制备的自支撑石墨烯-聚苯胺纳米线复合材料截面的扫面电镜图；

图3为实施例3制备的自支撑石墨烯-聚苯胺纳米线复合材料表面的扫面电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

在室温下，称取氧化石墨20mg，置于150mL烧杯中，然后加去离子水80mL配成0.25mg/mL的氧化石墨分散液，然后将烧杯放在超声仪中超声处理6h，得到氧化石墨分散液。

在磁力搅拌的状态下，取40μL的水合肼(80％)和280μL的氨水(25％)加入到氧化石墨分散液中进行还原，再放入油浴锅中加热到95℃，保温1h。将氧化石墨分散液用0.22nm孔径的PVDF膜进行真空抽滤，再用去离子水清洗，剥离，得到自支撑的石墨烯薄膜。将石墨烯薄膜在氩气状态下，400℃条件下煅烧1h，增强还原效果。

自支撑的石墨烯薄膜用质量分数为1％的SDS溶液清洗，使表面负载上SDS分子。用不锈钢电极夹头夹住放到电解液中充当工作电极。电解液中含有有0.5M苯胺和1M高氯酸。用铂片当作对电极。用0.08mA/cm²的电流密度处理0.5h，再用0.04mA/cm²处理3h，最后用0.02mA/cm²处理3h得到石墨烯-聚苯胺纳米线的复合材料。

图1为制备的石墨烯/聚苯胺纳米线的扫描电镜图，可以看出：石墨烯上有直径100nm左右的聚苯胺纳米线的生成。

实施例2

在室温下，称取氧化石墨20mg，置于150mL烧杯中，然后加去离子水80mL配成0.25mg/mL的氧化石墨分散液，然后将烧杯放在超声仪中超声处理6h，得到氧化石墨分散液。

在磁力搅拌的状态下，取40μL的水合肼(80％)和280μL的氨水(25％)加入到氧化石墨分散液中进行还原，再放入油浴锅中加热到95℃，保温1h。将氧化石墨分散液用0.22nm孔径的PVDF膜进行真空抽滤，再用去离子水清洗，剥离，得到自支撑的石墨烯薄膜。将石墨烯薄膜在氩气状态下，400℃条件下煅烧1h，增强还原效果。

自支撑的石墨烯薄膜用质量分数为1％的SDS溶液清洗，使表面负载上SDS分子。用不锈钢电极夹头夹住放到电解液中充当工作电极。电解液中含有有0.5M苯胺和1M高氯酸。用铂片当作对电极。用0.04mA/cm²的电流密度处理6.5h，结果石墨烯上并没有聚苯胺纳米线的生成。

实施例3

在室温下，称取氧化石墨20mg，置于150mL烧杯中，然后加去离子水80mL配成0.25mg/mL的氧化石墨分散液，然后将烧杯放在超声仪中超声处理6h，得到氧化石墨分散液。

在磁力搅拌的状态下，取40μL的水合肼(80％)和280μL的氨水(25％)加入到氧化石墨分散液中进行还原，再放入油浴锅中加热到95℃，保温1h。将氧化石墨分散液用0.22nm孔径的PVDF膜进行真空抽滤，再用去离子水清洗，剥离，得到自支撑的石墨烯薄膜。将石墨烯薄膜在氩气状态下，400℃条件下煅烧1h，增强还原效果。

自支撑的石墨烯薄膜用质量分数为1％的SDS溶液清洗，使表面负载上SDS分子。用不锈钢电极夹头夹住放到电解液中充当工作电极。电解液中含有有0.5M苯胺和1M盐酸。用铂片当作对电极。用0.08mA/cm²的电流密度处理0.5h，再用0.04mA/cm²处理3h，最后用0.02mA/cm²处理3h得到石墨烯-聚苯胺纳米线的复合材料。图3为制备的石墨烯/聚苯胺纳米线的扫描电镜图，可以看出：石墨烯上有直径100nm左右的聚苯胺纳米线的生成。