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超級電容器電極石墨烯復合材料
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作者:pro10845f02
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發布時間: 2014-08-29
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背景技術
工業的進步和社會的發展給人類生活帶來極大的便利，與此同時，也導致傳統石化資源的日漸枯竭，環境污染和惡化日益增長等問題，因此，人們都急切地尋找和開發一種全新的環境友好并可循環利用的能源，以解決能源危機和環境危機問題。然而，這些新能源無法像傳統石化資源那樣穩定地、隨時隨地地提供足夠的能量。例如，太陽能在晚上或冬季時的量遠遠小于白天或夏季時的量，這就造成了能量供給的不穩定。如果能把夏季積累的多余的能量留到冬季使用，則可解決這一問題。可見，新能源的產業化，最終造福大眾，能量的存儲技術是關鍵之一。因此，近些年來，關于如何存儲能量的研究受到眾多學者的青睞，特別是超級電容器。
超級電容器又叫電化學電容器，它是一種介于傳統電容器和電池之間的新型的綠色能量存儲裝置。傳統電容器是通過將電介質極化來存儲電荷，電池是通過電解液的離子與電極間發生氧化還原反應來存儲電荷，超級電容器則是通過電解液離子與電極之間形成的雙電層或氧化還原反應來存儲電荷。超級電容的產生源自于1957年通用公司Becker申請的一項專利(H.L.Becker.Lowvoltageelectrolyticcapacitor.U.S.Patent,2800616，1957-07-23)，并發展成為新型可逆電化學能量存儲系統，采用了電極界面雙電層充放電的電容，或電極表面氧化還原反應的贗電容來實現能量的存儲。
導電聚合物指的是具有共軛長鏈結構的一類聚合物材料，其結構特征是由高分子鏈和與鏈間非鍵結合的一價陰離子或陽離子共同組成，既具有一般高聚物質量輕，易加工，可塑造性強，同時還具有導電性、介電性、電化學活性、催化活性以及一系列光學性能，如電致變色性、電致發光性和非線性光學性能等，并且通過分子設計可合成多種多樣的結構形式，這一系列優點引起了化學家和物理學家極大的興趣。
在眾多的導電聚合物中，聚吡咯（PPy)是含有長程共軛鍵結構的本征型導電聚合物，其化學結構是吡咯環的2，5偶聯，是一種半結晶的高分子，在晶體中相鄰的吡咯環的排列方式不同，因而兩個吡咯環構成一個重復單元。其電導率可達102?103S/cm，拉伸強度可達50?lOOMPa，并具有很好的電化學氧化-還原可逆性。
聚吡咯可用于生物、離子檢測、超電容及防靜電材料及光電化學電池的修飾電極、蓄電池的電極材料。此外，還可以作為電磁屏蔽材料和氣體分離膜材料，用于電解電容、電催化、導電聚合物復合材料等，應用范圍很廣。由于其非常高的電導率以及電化學氧化還原可逆性，常常被用來做超級電容的電極材料。
聚吡咯（PPy)的合成方法一般有化學氧化合成法、電化學聚合法、光化學引發聚合、等離子體聚合、化學沉積聚合等。聚吡咯的高導電性及熱穩定性都與其聚合方式、聚合條件有著密切的關系，當聚合方式及聚合條件不同時，其所得到的PPy表面形態及其表面性質都會有所不同，因此會造成PPy的物理性質及化學性質有所差異。電化學聚合法是目前PPy常用的聚合方法，具有操作簡單、條件易控等優點，且合成的PPy的導電性和力學性能都比較好，但電化學合成法一般在電極上進行，只能小量制備。化學合成法雖然在很多方面都不如電化學聚合法，但它可以進行大規模生產。由于沒有電極和電池的介入，化學聚合比電化學聚合簡單的多，直接得到聚合物粉末或膠狀物質。
石墨烯具有二維晶格結構，平面中的碳原子以Sp2雜化軌道相連組成六邊形晶格結構，即碳原子通過很強的O鍵與相鄰的三個碳原子連接，C-C鍵使石墨烯具有很好的結構剛性。剩余的一個P電子軌道垂直于石墨烯平面，與周圍的原子形成n鍵，電子在晶格中的離域化，使石墨烯具有良好的導電，室溫下平面上的電子遷移率為I.5X104cm2/V*S，遠遠超過電子在一般導體中的傳導速率，因而在微電子、航天軍工、能量存儲裝置、納米電子器件、納米復合材料當中有著廣闊的潛在應用空間。
石墨烯因其具有比電容高、比表面積大和循環穩定性好等優勢，也常被用來作超級電容的電極材料。
石墨烯/聚吡咯納米復合材料不僅可以利用聚吡咯的穩定性、高電導率，還可以充分的發揮石墨烯的結構剛性，使復合材料的用途更加廣泛，尤其是在制備超級電容器方面作用尤其突出。目前石墨烯/聚吡咯納米復合材料主要是通過在石墨烯和吡咯混合液中加入FeCl3?6H20作為引發劑聚合而成的。過程復雜，不易控制；不易得到純凈的樣品。雖然可以得到很好地復合材料，可是用時過長，體系復雜，不利于大規模的工業化生產。
據恒志信網消息：為了克服上述現有技術存在的缺陷，國內新研制成功一種效率高、過程簡單的超級電容器電極用石墨烯/聚吡咯納米復合材料的制備方法及裝置。
新技術的目的可以通過以下技術方案來實現：一種超級電容器電極用石墨烯/聚吡咯納米復合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
1、制備氧化石墨烯分散液：在室溫下，將氧化石墨烯加入到去溶劑中，超聲30?60min，配制成氧化石墨烯溶液；
2、在步驟（I)所得氧化石墨烯溶液中滴吡咯單體，吡咯與氧化石墨烯的質量比為I:100?100：1，整個體系在冰浴中攪拌反應10?200min，體系溫度控制在(TC±2。。；
3、在步驟⑵所得體系中加入過硫酸銨，過硫酸銨與吡咯的摩爾比為I:20?20：1，反應30min后，將所得混合物用乙醇和去離子水輪流清洗，放到真空烘箱烘干，即可得到石墨烯/聚吡咯納米復合材料。所述的氧化石墨烯由天然石墨經氧化插層作用并超聲分散制得。
與現有技術相比，新技術選用氧化石墨烯溶液為原料，將吡咯單體加入其中，混合均勻后加入過硫酸銨（APS)來引發吡咯的聚合，整個體系在冰浴中進行，體系溫度控制，之后將得到的混合物經過洗滌、過濾、烘干后，即可得到石墨烯/聚吡咯納米復合材料。新技術在現有的制備基礎上，將吡咯的聚合過程與氧化石墨烯的還原過程一步完成，節省時間，簡化流程，適合大規模生產。
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