一種三元納米複合材料的製備方法及其應用的製作方法

2023-07-18 03:15:21 2

專利名稱：一種三元納米複合材料的製備方法及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及石墨烯/聚苯胺/ MCM-41 (多孔二氧化矽即MCM-41)三元複合材料的合成及其在超級電容器中的應用。具體地說，首先用自組裝的方法合成石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元複合材料，然後實現該複合材料在超級電容器中的應用。
背景技術：
相對於電池和普通電容器，超級電容器的容量可以達到法拉級別，甚至萬法拉。其作為一種理想的新型能源器件，具有內阻小，充放電電流大，充放電效率高(90 % ^95%),循環壽命長(幾萬至十萬次)、無汙染等優點[參見Stoller M D, Park S，Zhu Y, An J, Ruoff RS. 2008, Nano Lett. , 8:3498-3502]。超級電容器按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器兩種。雙電層型超級電容器具有大的比電容，但是穩定性差。而贗電容型超級電容器與之相反，比電容小，但穩定性好。本文擬在提出一種結合兩者優點的電極材料的合成方法，即該材料具有大的比電容又有良好的穩定性。因此選擇了雙電層性質的材料石墨烯和贗電容性質的材料聚苯胺,並將兩者混合起來製備成複合材料。自從石墨烯問世以來，石墨烯作為電極材料方面的研究迅速發展。Vivechand等製備了石墨烯電極材料，並將其應用在電化學超級電容器方面。[參見Vivechand, S.R. C. , Rout C. S. , Subrahmanyam, J. Chem. Sci. 2008, 120:9-13]。聚苯胺是重要的導電高分子之一，它具有很多優點，如易製備、好的環境穩定性以及具有電學、生物學和光學性能等，因而引起了人們的廣泛關注。聚苯胺通常是不溶不熔的，這使得其的應用受到很大的限制。為了彌補這一缺點，可以在聚苯胺中嵌入一些無機材料。已報導有很多種無機材料和聚苯胺進行複合[參見Zhang, L. J.; Wan, Μ. X.J. Phys. Chem. B 2003, 107, 6748]。在這些無機材料中，二氧化矽由於其獨特的性質和廣泛的應用而受到了廣泛關注[參見Liu, P.; Liu, ff. Μ. ; Xue, Q. J. Mater. Chem.Phys. 2004, 87，109]。六角形的多孔二氧化矽也成為人們的關注對象，Wu和Bein在MCM-41孔道中合成了高電導率的PANI導電絲[參見Wu, C. ; Bein, T. Sience 1994，264 ， 1757]ο雖然有很多這方面的報導，但是還鮮有將聚苯胺、MCM-41和石墨烯三者複合起來的報導，本發明首次將三者複合起來，並研究其電容性質，進而應用到超級電容器的電極材料方面。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供高贗電容的石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元納米複合材料的合成方法及其應用方法。技術方案本發明是一種三元納米複合材料的合成方法，該複合材料為石墨烯/聚苯胺/ MCM-41三元納米複合材料，合成方法為首先將MCM-41分散到HCl溶液中，攪拌
O.5-1個小時，加入苯胺單體，攪拌均勻，加入氧化劑過硫酸銨的鹽酸溶液，反應10-14小時，經洗滌、離心、烘乾得到聚苯胺/ MCM-41 ;然後將聚苯胺/ MCM-41分散到HCl溶液中，攪拌均勻，加入氧化石墨烯懸浮液，攪拌均勻，在150°C下水熱反應22-26小時，經洗滌、離心、乾燥得到石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元複合材料。所述HCl溶液為I Mol/L，每次的用量為15ml 25ml。所述製備聚苯胺/MCM-41中，MCM-41:苯胺單體過硫酸銨=0. 16 g O. 24 g:80 μ L 120 μ L: O. 1826g O. 2738 g。所述製備石墨烯/聚苯胺/MCM-41中，以重量計，聚苯胺/MCM-41:氧化石墨=1:1。所述的三元納米複合材料的合成方法製備的三元納米複合材料的應用，是將石墨烯/聚苯胺/MCM-41複合材料構建成超級電容器電極。電化學測試表明該電極材料電化學活性高，在6. O KOH中，在電流密度為O. 5A.g-Ι下，進行充放電測試，結果顯示其比電容高達為2660 F. g-Ι，穩定性和重現性好，壽命 長。有益效果本發明提供了一種製備三元複合物的方法，製備的石墨烯-聚苯胺-MCM-41三元納米複合材料的合成方法，原料簡單易得、條件溫和。該材料應用於超級電容器電極材料中，實驗結果表明該超級電容器電化學活性高，且其比電容高，穩定性和重現性好，壽命長。


圖I為本發明的石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元納米複合材料的充放電圖。
具體實施例方式製備石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元納米複合材料的合成方法為MCM-41根據文獻方法合成[參見Cai Q. ; Lin W. Y. ; Xiao F. S. ; Pang ff. Q. ; Chen X. H. ; ZouB. S. 1999 , Micropor ous Mesoporous Mater, 32, I]。取 O. 2g MCM-41 分散到 20 mLI M HCl溶液中，攪拌30分鐘，加入100 μ L苯胺單體，攪拌均勻，加入氧化劑5 mL O. 2 mM過硫酸銨的鹽酸溶液，反應12小時，經洗滌、離心、烘乾得到聚苯胺/ MCM-41。將20mg聚苯胺/ MCM-41分散到20 mL HCl溶液中，攪拌均勻，加入20mg氧化石墨烯懸浮液，攪拌均勻，在150°C下水熱反應24小時，經洗滌、離心、乾燥得到石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元複合材料。石墨烯/聚苯胺/ MCM-41中，聚苯胺/ MCM-41複合材料呈球形，平均直徑在150-250nm,均勻分布在石墨烯薄片上。石墨烯/聚苯胺/MCM-41複合材料在6. O KOH中，在電流密度為O. 5A. g—1下的比電容值為2660 F. g'且具有良好的循環穩定性和使用壽命。實施例I.聚苯胺/MCM-41納米複合材料的製備
MCM-41 根據文獻方法合成[參見Cai Q. ; Lin W. Y. ; Xiao F. S. ; Pang ff. Q.;Chen X. H. ; Zou B. S. 1999 , Micropor ous Mesoporous Mater, 32, I]。取 O. 2 gMCM-41分散到20 mL I M HCl溶液中，攪拌30分鐘，加入100 μ L苯胺單體，攪拌均勻，力口入氧化劑5 mL 0.2 mM過硫酸銨的鹽酸溶液，反應12小時，經洗滌、離心、烘乾得到聚苯胺/ MCM-41。實施例2.石墨烯/聚苯胺/ MCM-41三元納米複合材料的製備將20mg聚苯胺/ MCM-41分散到20 mL HCl溶液中，攪拌均勻，加入20mg氧化石墨烯懸浮液，攪拌均勻，在150 °C下水熱反應24小時，經洗滌、離心、乾燥得到石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元複合材料。實施例3.石墨烯/聚苯胺/MCM-41複合材料的電化學活性測試
取石墨烯/聚苯胺/MCM-41 2 mg加入I mL去離子水,並超聲均勻得懸浮液。取該懸浮液5 μ L塗在玻碳電極上，在空氣中晾乾待用。該電極在6. O M KOH中，在電流密度為O. 5 A. g—1，電壓範圍為-O. 5^0. 5 V的情況下進行充放電測試。·
權利要求
1.一種三元納米複合材料的合成方法，其特徵在於該複合材料為石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元納米複合材料，合成方法為首先將MCM-41分散到HCl溶液中，攪拌O. 5_1個小時，加入苯胺單體，攪拌均勻，加入氧化劑過硫酸銨的鹽酸溶液，反應10-14小時，經洗滌、離心、烘乾得到聚苯胺/ MCM-41 ;然後將聚苯胺/ MCM-41分散到HCl溶液中，攪拌均勻，力口入氧化石墨烯懸浮液，攪拌均勻，在150°C下水熱反應22-26小時，經洗滌、離心、乾燥得到石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元複合材料。
2.根據權利要求I所述的三元納米複合材料的合成方法，其特徵在於所述HCl溶液為I Mol/L，每次的用量為15ml 25ml。
3.根據權利要求I所述的三元納米複合材料的合成方法，其特徵在於所述製備聚苯胺/MCM-41中，MCM-41:苯胺單體過硫酸銨=0. 16 g O. 24 g: 80 μ L 120 μ L:.O.1826g O. 2738 g。
4.根據權利要求I所述的三元納米複合材料的合成方法，其特徵在於所述製備石墨烯/聚苯胺/MCM-41中，以重量計，聚苯胺/MCM-41:氧化石墨=1:1。
5.—種如權利要求I所述的三元納米複合材料的合成方法製備的三元納米複合材料的應用，其特徵在於將石墨烯/聚苯胺/MCM-41複合材料構建成超級電容器電極。
全文摘要
本發明是一種三元納米複合材料的製備方法及其應用，該製備方法首先將MCM-41分散到HCl溶液中，攪拌30分鐘，加入苯胺單體，攪拌均勻，加入氧化劑過硫酸銨的鹽酸溶液，反應12小時，經洗滌、離心、烘乾得到聚苯胺/MCM-41。然後將聚苯胺/MCM-41分散到HCl溶液中，攪拌均勻，加入氧化石墨烯懸浮液，攪拌均勻，在150℃下水熱反應24小時，經洗滌、離心、乾燥得到石墨烯/聚苯胺/MCM-41三元複合材料。該三元納米複合材料的應用方法，其特徵在於其用於超級電容器的電極材料，所製備電極的比電容為2660F.g-1，且電化學活性高，穩定性和重現性好，壽命長。
文檔編號C08L79/02GK102942788SQ20121038861
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者閆真真, 馮曉苗, 馬延文, 範曲立, 汪聯輝, 黃維 申請人:南京郵電大學