一种基于碳化荷兰菊与聚苯胺复合材料的制备方法及其应用与流程

1.本发明涉及复合导电材料技术领域，特别是一种基于碳化荷兰菊与聚苯胺复合材料的制备方法及其应用。


背景技术：

2.碳材料出色在于其拥有可观的比表面积的同时，依旧具有良好的化学稳定性，且原材料成本极低等，是被全世界认可的非常具有研究价值的电极材料。碳纳米管虽然具有诸多优势，但由于比表面积不理想、量产技术不成熟，所导致的不能大规模商业化的缺陷，是阻碍其应用于超级电容器之中的绊脚石。同样地，石墨烯由于在实际使用过程中容易发生收缩或膨胀的现象，从而导致体积的变化，也是其在电极材料中应用的阻碍。生物质碳材料保留了其前驱体生物质材料的种种物理化学特性，例如在具有理想的耐热性同时，也拥有极佳的化学惰性以及良好的导电性、导热性等，而且随处可得，成本极低，适宜更深层次地研究其作为电极材料的可行性。现如今单一材料的电化学性能，已经不能满足当今人们对电能存储装置的需求，而复合材料正好可以填补这个缺陷，从而研制出符合当代人们预期的高能量密度，高功率密度的超级电容器。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种比表面积理想同时能够批量生产的基于碳化荷兰菊与聚苯胺复合材料的制备方法及其应用。
4.本发明的目的在于提出一种基于碳化荷兰菊与聚苯胺复合材料的制备方法，包括如下步骤，
5.1)将荷兰菊洗干净并烘干，在真空气氛管式炉氮气状态下得到碳化荷兰菊；
6.2)将处理过的碳化荷兰菊放入苯胺溶液中并用稀硫酸将其ph调至1～4，充分浸泡；
7.3)加入引发剂过硫酸铵溶液并超声混匀；
8.4)样品静置反应后，用去离子水和无水乙醇依次清洗样品直至清洗液无色透明，最后将样品放在自然光下晾干即可得到基于碳化荷兰菊/聚苯胺复合导电材料。
9.优选的，所述步骤1中升温600℃过程中升温速率为3℃/min，升温900℃过程中升温速率为2℃/min。
10.优选的，所述步骤2中苯胺与碳化荷兰菊质量比为10％～125％，苯胺溶液浓度为1mol/l。
11.优选的，所述步骤2中苯胺溶液用稀硫酸调节ph至1～4，浸泡时间为1h～3h。
12.优选的，所述步骤3中过硫酸铵作为引发剂，过硫酸铵溶液浓度为1mol/l，过硫酸铵与苯胺的摩尔比为1:1。
13.优选的，步骤3中超声混匀时间为30min。
14.优选的，所述步骤4中静置反应时间为24h，清洗样品顺序分别为去离子水和无水
乙醇。
15.本发明的另一个目的在于根据一种基于碳化荷兰菊与聚苯胺复合材料的制备方法制备出的复合材料应用于复合电极材料中。
16.本发明以荷兰菊为生物质碳源，采用原位聚合法制备出不同聚苯胺含量的碳化荷兰菊/聚苯胺复合导电材料。通过对样品进行扫描电子显微镜、x射线衍射、傅里叶变换红外光谱、电化学测量系统等分析，确定了其微观结构、表面形貌以及电化学特性，制备的复合材料保留了碳化荷兰菊的条状结构，具有优异的比表面积，同时能够成功的将聚苯胺与碳化荷兰菊进行聚合，聚合后的复合材料具有优异的电化学性能。
17.本发明提供碳化荷兰菊/聚苯胺复合材料制备方法同时具有处理过程简单、成本廉价、易于大规模生产的特点。
附图说明
18.图1是本发明实施例1制备的碳化荷兰菊的sem图；
19.图2是本发明实施例1制备的碳化荷兰菊/聚苯胺复合材料的sem图；
20.图3是碳化荷兰菊、聚苯胺以及碳化荷兰菊/聚苯胺复合材料的红外光谱图；
21.图4是碳化荷兰菊、聚苯胺以及碳化荷兰菊/聚苯胺复合材料的x射线衍射图；
22.图5是碳化荷兰菊/聚苯胺不同质量比复合材料的循环伏安曲线；
23.图6是不同样品的在1a/g电流密度下的恒电流充放电图。
具体实施方式
24.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
25.本发明提供的基于碳化荷兰菊/聚苯胺复合导电材料，以如下方法制备：
26.1)将荷兰菊洗干净并烘干，在真空气氛管式炉氮气状态下得到碳化荷兰菊；
27.2)将处理过的碳化荷兰菊放入苯胺溶液中并用稀硫酸将其ph调至1～4，充分浸泡；
28.3)加入引发剂过硫酸铵溶液并超声混匀；
29.4)样品静置反应后，用去离子水和无水乙醇依次清洗样品直至清洗液无色透明，最后将样品放在自然光下晾干即可得到基于碳化荷兰菊/聚苯胺复合导电材料。
30.实施例1-6的工艺条件见下表
[0031][0032]
对按照实施例1-6工艺条件制备的样品进行扫描电子显微镜、x射线衍射、傅里叶变换红外光谱、电化学测量系统分析。
[0033]
图1为制备的碳化荷兰菊的sem图的图谱，由图可见碳化荷兰菊纤维基本上都是由厚度为2-3μm的条状排列起来的，并且整体呈现纹理状，高温碳化后的荷兰菊材料，结构变得更加疏松，表面会有一些碳化荷兰菊碎片夹杂在裂隙之中。
[0034]
图2为实施例5制备的碳化荷兰菊/聚苯胺复合材料的sem图的图谱，表明碳化荷兰菊与聚苯胺复合材料的保留了单一碳化荷兰菊的形貌特征，呈现出纹理状，具有优异的比表面积，复合材料表面上铺有聚苯胺小颗粒，并且复合材料纤维表面变得平滑，进而说明聚苯胺已经成功复合在碳化荷兰菊材料的表面。
[0035]
图3为实施例5制备的聚苯胺、碳化荷兰菊和聚苯胺/碳化荷兰菊复合材料的红外光谱图，其中a代表聚苯胺，b代表碳化荷兰菊；c代表碳化荷兰菊/聚苯胺，表明聚苯胺/碳化荷兰菊复合材料存在聚苯胺在1539cm-1
和1245cm-1
处的特征峰，说明苯胺在碳化荷兰菊上聚合。并且相对于图3的a中1053cm-1
处和图3的b中的1060cm-1
处的特征峰，图3的c中却在1070cm-1
和1012cm-1
处出现吸收峰，并且特征峰的强度也发生了改变，原因可能是聚苯胺长链与碳化荷兰菊产生π-π相互作用力和聚苯胺基团极性的改变。
[0036]
图4为实施例5制备的聚苯胺、碳化荷兰菊和聚苯胺/碳化荷兰菊复合材料的x射线衍射图，其中a代表碳化荷兰菊/聚苯胺，b代表聚苯胺，c代表碳化荷兰菊，表明复合材料也存在石墨碳结构，这样一来有利于复合材料与电解液之间的电子转移，并且峰强度都有所增强，可能原因是聚苯胺长链与碳化荷兰菊的聚合使得他们两者的特征峰发生了叠加，进一步表明聚苯胺与碳化荷兰菊成功聚合。
[0037]
图5为实施例3～6制备的聚苯胺/碳化荷兰菊复合材料的循环伏安曲线，表明循环伏安所围成的曲线都类似于矩形，并且有较为明显的氧化还原峰出现，说明碳化荷兰菊/聚苯胺复合材料既表现出双电层电容电极材料又表现出赝电容电极材料的特征。复合材料循环伏安曲线都表现出类似矩形的形状且没有发生太大的改变，这也表明复合材料具有良好的电容特性。
[0038]
图6为实施例1-6制备的聚苯胺/碳化荷兰菊复合材料在1a/g电流密度下的恒电流充放电图，表明恒电流充放电曲线近似于等腰三角形，发生了形变，这说明了电极材料中掺杂了杂原子，使得复合材料既具备出双电层电容材料性质，又具备出赝电容材料性质，这与循环伏安曲线所得出的结论相吻合。在放电过程中，曲线呈现缓慢下降趋势，垂直压降小，表现出电极材料具有很小的内阻。
[0039]
碳化荷兰菊/聚苯胺复合材料电化学性能的测定，使用型号为chi660d的电化学测量系统对样品进行电化学性能的分析。使用条件为，在室温条件下，使用三电极体系，电解液选取在1mol/l的硫酸来进行测试。以ag/agcl电极为参比电极，以铂片(pt)电极为对电极，以玻碳圆盘电极为工作电极，进行电化学测试。
[0040]
聚苯胺等导电聚合物由于制备简单、成本低廉、导电率高、化学稳定性好已经被人们重视，碳化荷兰菊作为生物质碳材料保留了其前驱体生物质材料的种种物理化学特性，在具有理想的耐热性同时，也拥有极佳的化学惰性以及良好的导电性、导热性等，而且随处可得，成本极低，复合后的碳化荷兰菊/聚苯胺复合材料能够兼具两者的优异特点，适合在复合电极材料批量生产及应用。