一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法

1.本发明属于复合凝胶领域，具体涉及一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法。


背景技术：

2.聚吡咯、聚苯胺等常见的导电高分子材料，由于其易于合成、优异的比电容和固有的聚合物柔韧性等优点而引起了人们的极大关注，不良的速率性能和循环稳定性也是其不可避免的缺陷。而且导电高分子的溶解性和加工性差等问题也限制了其更为广泛的应用。将导电高分子与还原氧化石墨烯或活性炭等高导电材料相结合，可以在一定程度上改善导电高分子的性能。
3.具有宏观三维结构的导电高分子水凝胶是一类重要的智能软物质，已经广泛应用在多个领域。水凝胶的三维空间网络结构增加了复合材料的比表面积，有助于其与电解液充分结合，使得其具有良好的电化学性能。具有优异电化学性能的导电水凝胶将可作为基础材料，用来构建可穿戴设备或可植入传感器。但是，目前基于导电高分子与石墨烯的复合水凝胶材料在实际使用中由于其力学性能与电化学性能较差而受到一定限制。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法。该方法在水热过程中实现石墨烯的磷酸化，促进了复合凝胶中石墨烯与聚吡咯有效结合，所得复合凝胶具有良好的力学性能与优异的电化学性能。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.提供一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
7.1)将氧化石墨烯分散液、磷酸、聚吡咯纳米管和水混合均匀得混合溶液；
8.2)将步骤1)所得混合溶液进行水热反应，即得磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶。
9.按上述方案，所述步骤1)中，氧化石墨烯、聚吡咯纳米管和磷酸的质量体积比为：30-120mg：30-120mg：100-2000μl。
10.按上述方案，所述步骤1)中，氧化石墨烯分散液浓度为2-8mg/ml。优选地，溶剂为水。
11.按上述方案，所述步骤1)中，所述聚吡咯纳米管的制备包括以下步骤：
12.在甲基橙水溶液中加入吡咯，搅拌反应，最后加入氧化剂，抽滤至滤液无色、干燥即得聚吡咯纳米管；其中甲基橙与吡咯的质量体积比为1-2g：1-2ml。
13.优选地，加入吡咯单体后继续搅拌时间为24-30h。
14.优选地，氧化剂为九水硝酸铁。
15.按上述方案，所述步骤2)中，水热反应温度为160-180℃，时间为6-9h。
16.本发明提供一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法，以氧化石墨烯、聚吡咯纳米管和磷酸为原料进行水热反应；其中：氧化石墨烯和磷酸一起水热反应，氧化石墨烯
表面包含有丰富的羟基、羧基等官能团，有利于磷酸接枝，在水热过程中，氧化石墨烯还原成为还原氧化石墨烯的同时，还可以把磷酸官能团接到石墨烯的表面。一维结构的聚吡咯纳米管与二维结构的石墨烯纳米片相互交织，构成了复合凝胶的基体框架。此外磷酸官能团带有3个负电荷，有利于与带正电荷的聚吡咯相互作用；磷酸官能团相当于是一个桥梁，有效的将聚吡咯纳米管与石墨烯纳米片结合在一起，从而提升复合材料的力学性能与电化学性能。
17.本发明的有益效果如下：
18.本发明提供了一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法，以氧化石墨烯、聚吡咯、磷酸为前驱物，通过水热复合得到了磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶。其中水热过程中实现石墨烯的磷酸化，进而促进了聚吡咯与石墨烯之间的有效结合，显著提高了复合材料的力学性能与电化学性能；该方法所使用原料价格低廉，制备过程简便，所得复合凝胶性能优异，在超级电容器领域有着良好的应用前景。
附图说明
19.图1是实施例1制备所得复合凝胶的砝码承重变化图。
20.图2是对比例1制备所得复合凝胶的砝码承重变化图。
21.图3是不同复合凝胶的循环伏安图，其中，(a)为实施例1制备所得复合凝胶不同扫描速率下的线性，(b)为对比例1制备所得复合凝胶电极在不同扫描速率下的线性循环伏安曲线。
具体实施方式
22.为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
23.实施例1：
24.提供一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
25.1)将1.045g甲基橙溶解在640ml去离子水中，搅拌，直至完全溶解，得溶液a，向溶液a加入1.12ml吡咯，搅拌24h，得溶液b，向溶液b加入12.907g九水硝酸铁得溶液c，将溶液c抽滤至滤液无色得到固体a，将固体a干燥后得到聚吡咯纳米管；
26.2)将制备好的氧化石墨烯分散在去离子水中,配成溶度为4mg/ml的溶液d；
27.3)取15ml溶液d，取445μl的磷酸，取60mg步骤1)制备所得聚吡咯纳米管，超声混合均匀得混合溶液e；
28.4)将溶液e转入到180℃温度下反应7h，即得磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶；
29.得到的复合凝胶能够承受50g的砝码而不倒不散，在0.5a/g电流密度下比电容达265.9f/g。
30.实施例2：
31.提供一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
32.1)将1.045g甲基橙溶解在640ml去离子水中，搅拌，直至完全溶解，得溶液a，向溶液a加入1.12ml吡咯，搅拌30h，得溶液b，向溶液b加入12.907g九水硝酸铁得溶液c，将溶液c抽滤至滤液无色得到固体a，将固体a干燥后得到聚吡咯纳米管；
33.2)将制备好的氧化石墨烯分散在去离子水中,配成溶度为4mg/ml的溶液d；
34.3)取20ml溶液d，取200μl的磷酸，取70mg步骤1)制备所得聚吡咯纳米管，超声混合均匀得混合溶液e；
35.4)将溶液e转入到180℃温度下反应6h，即得磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶；
36.得到的复合凝胶能够承受50g的砝码而不倒不散，在0.5a/g电流密度下比电容达223.7f/g。
37.实施例3：
38.提供一种磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
39.1)将1.045g甲基橙溶解在640ml去离子水中，搅拌，直至完全溶解，得溶液a，向溶液a加入1.12ml吡咯，搅拌26h，得溶液b，向溶液b加入12.907g九水硝酸铁得溶液c，将溶液c抽滤至滤液无色得到固体a，将固体a干燥后得到聚吡咯纳米管；
40.2)将制备好的氧化石墨烯分散在去离子水中,配成溶度为4mg/ml的溶液d；
41.3)取30ml溶液d，取1500μl的磷酸，取80mg步骤1)制备所得聚吡咯纳米管，超声混合均匀得混合溶液e；
42.4)将溶液e转入到170℃温度下反应8h，即得磷酸化石墨烯/聚吡咯复合凝胶；
43.得到的复合凝胶能够承受50g的砝码而不倒不散，在0.5a/g电流密度下比电容达228.8f/g。
44.对比例1：
45.提供一种石墨烯/聚吡咯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
46.1)将1.045g甲基橙溶解在640ml去离子水中，搅拌，直至完全溶解，得溶液a，向溶液a加入1.12ml吡咯，搅拌24h，得溶液b，向溶液b加入12.907g九水硝酸铁得溶液c，将溶液c抽滤至滤液无色得到固体a，将固体a干燥后得到聚吡咯纳米管；
47.2)将制备好的氧化石墨烯分散在去离子水中,配成溶度为4mg/ml的溶液d；
48.3)取15ml溶液d，取60mg聚吡咯纳米管，超声混合均匀得混合溶液e；
49.4)将溶液e转入到180℃温度下反应7h，即得石墨烯/聚吡咯复合凝胶。
50.得到的复合凝胶只能够承受20g的砝码而不倒不散，在0.5a/g电流密度下比电容达201.6f/g。