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國內(nèi)水泥混凝土外加劑技術(shù)資料
超級電容器電極石墨烯復(fù)合材料
來源:
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作者:pro10845f02
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發(fā)布時間: 2014-08-29
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背景技術(shù)
工業(yè)的進(jìn)步和社會的發(fā)展給人類生活帶來極大的便利，與此同時，也導(dǎo)致傳統(tǒng)石化資源的日漸枯竭，環(huán)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(fā)一種全新的環(huán)境友好并可循環(huán)利用的能源，以解決能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)問題。然而，這些新能源無法像傳統(tǒng)石化資源那樣穩(wěn)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于白天或夏季時的量，這就造成了能量供給的不穩(wěn)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?？梢?，新能源的產(chǎn)業(yè)化，最終造福大眾，能量的存儲技術(shù)是關(guān)鍵之一。因此，近些年來，關(guān)于如何存儲能量的研究受到眾多學(xué)者的青睞，特別是超級電容器。
超級電容器又叫電化學(xué)電容器，它是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型的綠色能量存儲裝置。傳統(tǒng)電容器是通過將電介質(zhì)極化來存儲電荷，電池是通過電解液的離子與電極間發(fā)生氧化還原反應(yīng)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(yīng)來存儲電荷。超級電容的產(chǎn)生源自于1957年通用公司Becker申請的一項(xiàng)專利(H.L.Becker.Lowvoltageelectrolyticcapacitor.U.S.Patent,2800616，1957-07-23)，并發(fā)展成為新型可逆電化學(xué)能量存儲系統(tǒng)，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(yīng)的贗電容來實(shí)現(xiàn)能量的存儲。
導(dǎo)電聚合物指的是具有共軛長鏈結(jié)構(gòu)的一類聚合物材料，其結(jié)構(gòu)特征是由高分子鏈和與鏈間非鍵結(jié)合的一價陰離子或陽離子共同組成，既具有一般高聚物質(zhì)量輕，易加工，可塑造性強(qiáng)，同時還具有導(dǎo)電性、介電性、電化學(xué)活性、催化活性以及一系列光學(xué)性能，如電致變色性、電致發(fā)光性和非線性光學(xué)性能等，并且通過分子設(shè)計可合成多種多樣的結(jié)構(gòu)形式，這一系列優(yōu)點(diǎn)引起了化學(xué)家和物理學(xué)家極大的興趣。
在眾多的導(dǎo)電聚合物中，聚吡咯（PPy)是含有長程共軛鍵結(jié)構(gòu)的本征型導(dǎo)電聚合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)是吡咯環(huán)的2，5偶聯(lián)，是一種半結(jié)晶的高分子，在晶體中相鄰的吡咯環(huán)的排列方式不同，因而兩個吡咯環(huán)構(gòu)成一個重復(fù)單元。其電導(dǎo)率可達(dá)102?103S/cm，拉伸強(qiáng)度可達(dá)50?lOOMPa，并具有很好的電化學(xué)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(xué)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(dǎo)電聚合物復(fù)合材料等，應(yīng)用范圍很廣。由于其非常高的電導(dǎo)率以及電化學(xué)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(xué)氧化合成法、電化學(xué)聚合法、光化學(xué)引發(fā)聚合、等離子體聚合、化學(xué)沉積聚合等。聚吡咯的高導(dǎo)電性及熱穩(wěn)定性都與其聚合方式、聚合條件有著密切的關(guān)系，當(dāng)聚合方式及聚合條件不同時，其所得到的PPy表面形態(tài)及其表面性質(zhì)都會有所不同，因此會造成PPy的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)有所差異。電化學(xué)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(yōu)點(diǎn)，且合成的PPy的導(dǎo)電性和力學(xué)性能都比較好，但電化學(xué)合成法一般在電極上進(jìn)行，只能小量制備?；瘜W(xué)合成法雖然在很多方面都不如電化學(xué)聚合法，但它可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。由于沒有電極和電池的介入，化學(xué)聚合比電化學(xué)聚合簡單的多，直接得到聚合物粉末或膠狀物質(zhì)。
石墨烯具有二維晶格結(jié)構(gòu)，平面中的碳原子以Sp2雜化軌道相連組成六邊形晶格結(jié)構(gòu)，即碳原子通過很強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)電，室溫下平面上的電子遷移率為I.5X104cm2/V*S，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子在一般導(dǎo)體中的傳導(dǎo)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(fù)合材料當(dāng)中有著廣闊的潛在應(yīng)用空間。
石墨烯因其具有比電容高、比表面積大和循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)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(fù)合材料不僅可以利用聚吡咯的穩(wěn)定性、高電導(dǎo)率，還可以充分的發(fā)揮石墨烯的結(jié)構(gòu)剛性，使復(fù)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(fù)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(fā)劑聚合而成的。過程復(fù)雜，不易控制；不易得到純凈的樣品。雖然可以得到很好地復(fù)合材料，可是用時過長，體系復(fù)雜，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
據(jù)恒志信網(wǎng)消息：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，國內(nèi)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(fù)合材料的制備方法及裝置。
新技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種超級電容器電極用石墨烯/聚吡咯納米復(fù)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(zhì)量比為I:100?100：1，整個體系在冰浴中攪拌反應(yīng)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(yīng)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(fù)合材料。所述的氧化石墨烯由天然石墨經(jīng)氧化插層作用并超聲分散制得。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，新技術(shù)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(fā)吡咯的聚合，整個體系在冰浴中進(jìn)行，體系溫度控制，之后將得到的混合物經(jīng)過洗滌、過濾、烘干后，即可得到石墨烯/聚吡咯納米復(fù)合材料。新技術(shù)在現(xiàn)有的制備基礎(chǔ)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(jié)省時間，簡化流程，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
