应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，它是由石墨烯、聚苯胺、氧化铁复合形成，所述聚苯胺包覆于石墨烯上，所述氧化铁生长在包覆有聚苯胺的石墨烯上。本发明所得到的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，该结构充分利用了每一组分的作用，既利用了石墨烯的双电层电容性质，也利用了聚苯胺和石墨烯的氧化还原电化学性质，增大了石墨烯基电极材料的比电容量，循环寿命达到5000次，极大地提高了石墨烯基电容器的电化学性能，使其在超级电容器、太阳能电池等领域具有更广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用作超级电容器电极的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料及其制备方 法。

背景技术

超级电容器，一种介于普通电容器和二次电池之间的快速充电/放电的储能器件，它具 有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，在军事以及民用上 都有着巨大的应用前景。超级电容器电极材料分为两类，一类是具有双电层储能性质的超级 电容器材料，这类材料包括活性炭、碳纤维、碳纳米管及石墨烯片等碳材料，这类材料具有 10到200F/g的比电容量，充放电循环寿命长，可达10000次以上，但是总体来看比电容量 并不高；另一类是具有氧化还原特性的赝电容器材料，既有无机物，如氧化钌、氧化锰、氧 化锡、氧化铁等材料，又有导电高分子材料，如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等，这类材料由于 具有氧化还原特性，电容量很大，可达500F/g以上的比电容量，但是这类材料的缺点是由 于氧化还原反应发生在材料体内，导致材料充放电过程中体积发生剧烈变化，结构出现缺 陷，影响电极材料的循环寿命，循环次数只能在3000次左右。因此，很多研究与开发工作 集中在将双电层机制的电极材料与氧化还原机制的电极材料复合在一起，制备成杂化材料用 于超级电容器，如将无机纳米氧化锰、氧化锡等负载碳纳米管或石墨烯片表面上、或将导电 聚合物包覆在碳纳米管或石墨烯片上，制备的电容器材料既具有双电层电容特性、同时具有 赝电容特性，比电容量达800F/g以上，同时导电性能好、力学性能优异的碳材料能对氧化 还原物质起到很好的支撑作用。

最近，有研究者在石墨烯表面先负载氧化铁纳米颗粒，再在石墨烯/氧化铁杂化物表面 上聚合一层聚苯胺，获得的比电容为638F/g，循环次数为5000次电容上(J.Mater.Chem., 2012,22,16844-16850)。但是，由于负载在石墨烯表面的氧化铁纳米粒子被聚苯胺包覆层所 覆盖，并不能充分发挥出各组分的电化学作用，导致比电容并不如预期的高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种应用于超级电容 器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料及其制备方法，提高了石墨烯基电容器的电化学性能。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，它是由石墨烯、聚苯胺、氧 化铁复合形成，所述聚苯胺包覆于石墨烯上，所述氧化铁生长在包覆有聚苯胺的石墨烯上。

一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按氧化石墨与苯胺的摩尔比为1:(1～10)，将苯胺单体和盐酸加入到氧化石墨的水 溶液，在0～5℃条件下边搅拌边滴加引发剂溶液，滴加完成后继续搅拌2～5小时，将所得固 体分离出来，即得到聚苯胺/氧化石墨的复合物；

(2)将聚苯胺/氧化石墨的复合物用还原剂进行还原，然后分离出聚苯胺/石墨烯的复合 物；

(3)按照氧化石墨与铁离子的摩尔比为1:(1～20)，将可溶性铁盐与聚苯胺/石墨烯的复 合物混合于水中，分散并搅拌1～3小时后，向其中边搅拌边滴加浓氨水，浓氨水中氨与铁离 子的摩尔比为(1～8):1，滴加完成后，继续搅拌1～3小时，再静置陈化8～24小时，得到悬浮 液；再将所得到的悬浮液在氮气或惰性气体保护下，于温度为120～180℃条件下反应1～6小 时，然后将其中的固体分离出来，即得到石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料。

按上述方案，所述氧化石墨的水溶液浓度为0.1mol/L。将所述氧化石墨与水混合后， 超声分散30-60分钟，可获得氧化石墨的水溶液。

按上述方案，所述引发剂可以选用(NH₄)₂S₂O₈、K₂Cr₂O₇、KIO₃、FeCl₃、FeCl₄、H₂O₂、 Ce(SO₄)₂、MnO₂、BPO(过氧化苯甲酰)，其中(NH₄)₂SO₈由于不含金属离子，氧化能力 强，后处理方便，是最常用的氧化剂。本发明中采用引发剂溶液为浓度0.04mol/L的过硫酸 铵溶液，过硫酸铵与苯胺的摩尔比为1:(1～2)。

按上述方案，所述步骤(1)中盐酸在氧化石墨的水溶液中的浓度mol/L；步骤 (1)中滴加速度为0.15mL/s～0.3mL/s。

按上述方案，所述还原剂为水合肼或硼氢化钠，还原剂与氧化石墨摩尔比为 (10～100):1。水合肼作为还原剂，浓度优选85％，硼氢化钠作为还原剂，浓度优选 0.1mol/L的水溶液。

按上述方案，所述步骤(2)中还原采用水合肼，还原条件是90℃～100℃下回流12小 时以上。

按上述方案，步骤(3)中水的加入量使铁盐的摩尔浓度为0.05mol/L～0.2mol/L；所述 分散为超声分散，时间为30-60分钟；所述搅拌的时间为4～8小时；浓氨水的浓度为28％， 滴加速度为0.15mL/s～0.3mL/s。

按上述方案，所述氧化石墨的制备方法是：按照(1～5g)：(0.2～2g)：(30～150ml)的 比例，将石墨、硝酸钠和98％浓硫酸混合，在搅拌器边搅拌边加入高锰酸钾，高锰酸钾与石 墨的质量比为(0.2-8)：1，待高锰酸钾加完之后继续搅拌12h以上；再向其中加入去离子 水，去离子水与浓硫酸的体积比为1:(0.05-1.5)，再加入浓度为30％的双氧水，双氧水与浓 硫酸的体积比为1：(0.5-15)，获得黄色悬浊液，采用过滤或离心的方法，将固体分离出 来，烘干，即为氧化石墨。

本发明的原理是：氧化石墨表面的羧基与苯胺上的胺基相作用，先将苯胺吸附在氧化石 墨的表面，再在引发剂的作用下，引发苯胺单体，将聚苯胺包覆在氧化石墨表面；进而在还 原剂的作用下，转化为包覆聚苯胺的石墨烯；接着利用聚苯胺的胺基对金属离子的络合作 用，将铁离子吸附在包覆有聚苯胺的石墨烯表面，通过加入碱性试剂(氨水)，使铁离子转 化为氢氧化铁，并负载在包覆聚苯胺的石墨烯表面，最后经过水热反应使氢氧化铁分解成α- 氧化铁，从而得到表面负载氧化铁、包覆聚苯胺的石墨烯，即石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材 料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用氧化石墨与苯胺单体的作用将聚苯胺包覆到石墨烯表面，再利用聚苯胺链上 的胺基吸附铁离子，将α-氧化铁嵌在石墨烯/聚苯胺的表面得到石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材 料，构思巧妙。同时，本发明所得到的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，该结构充分利用了 每一组分的作用，既利用了石墨烯的双电层电容性质，也利用了聚苯胺和石墨烯的氧化还原 电化学性质，增大了石墨烯基电极材料的比电容量，循环寿命达到5000次，极大地提高了 石墨烯基电容器的电化学性能，使其在超级电容器、太阳能电池等领域具有更广阔的应用前 景。

附图说明

图1是石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的制备方法的流程示意图。

图2是实施例1石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的XRD图谱，其中PANI为聚苯胺缩 写。

图3a是石墨烯的透射电镜图，b实施例1中间产物聚苯胺/石墨烯的复合物的透射电镜 图，(c)石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的透射电镜图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局 限于下面的实施例。

实施例1

1、制备氧化石墨：取鳞片石墨(1g)，硝酸钠(0.2g)和浓硫酸(30ml)放入1000ml 烧杯中，在搅拌器边搅拌边加入高锰酸钾(1g)，加完之后继续搅拌14h；再向其中加入去 离子水(100ml)，再加入浓度为30％的双氧水(10ml)，此时悬浊液呈黄色，采用过滤或离 心的方法，将固体分离出来，烘干，即为氧化石墨，待用。

2、一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，它是由石墨烯、聚苯胺、 氧化铁复合形成，所述聚苯胺包覆于石墨烯上，所述氧化铁生长在包覆有聚苯胺的石墨烯 上。

3、上述应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的制备方法，包括如下步 骤：

(1)将0.005mol氧化石墨在50ml去离子水中超声分散30分钟，向其中加入苯胺单体 (苯胺单体与氧化石墨的摩尔比为1:1)和36％的浓盐酸4ml，然后在冰浴下、边磁力搅拌 边滴加0.04mol/mL的过硫酸铵溶液(过硫酸铵与苯胺单体的摩尔比为1:1)，且滴加速度为 0.15mL/s，滴加完成后继续搅拌2小时，再将其中的固体离心分离出来，即得到聚苯胺/氧 化石墨的复合物；

(2)将上述所得到的聚苯胺/氧化石墨复合物全部和0.05mol水合肼(水合肼浓度 85％)混合，在90℃下回流12小时，将其中的固体过滤分离出来，得到聚苯胺/石墨烯的复 合物；

(3)按铁离子与氧化石墨摩尔比为1:1，将聚苯胺/石墨烯的复合物与硝酸铁粉末(其 中铁离子0.005mol)加入到100ml去离子水中并超声分散1小时，再搅拌4小时，然后向其 中边搅拌边滴加浓氨水(浓氨水中氨与铁离子的摩尔比为1:1，浓氨水浓度为26％)，且滴加 速度为0.15mL/s；滴加完成后，继续搅拌1小时，再静止陈化8小时，然后将得到的悬浮 液在氮气保护下、温度为120℃条件下反应1小时，反应完成后，将固体分离出来，得到石 墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料。

由图2、图3可知，实施例1制备的最终产物确认为石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料， 本方法制备出石墨烯/聚苯胺/氧化铁三元复合体系，聚苯胺接枝包覆在石墨烯上，氧化铁像 草莓一样长在石墨烯片层上。这种结构将充分发挥每个组份的作用，使复合材料的比电容大 大提高，循环寿命也很长。

实施例2

1、制备氧化石墨：取鳞片石墨(1g)，硝酸钠(0.2g)和浓硫酸(30ml)放入1000ml 烧杯中，在搅拌器边搅拌边加入高锰酸钾(1g)，加完之后继续搅拌14h；再向其中加入去 离子水(100ml)，再加入浓度为30％的双氧水(10ml)，此时悬浊液呈黄色，采用过滤或离 心的方法，将固体分离出来，烘干，即为氧化石墨，待用。

2、一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，它是由石墨烯、聚苯胺、 氧化铁复合形成，所述聚苯胺包覆于石墨烯上，所述氧化铁生长在包覆有聚苯胺的石墨烯 上。

3、上述应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的制备方法，包括如下步 骤：

(1)将0.005mol氧化石墨在50ml去离子水中超声分散30分钟，向其中加入苯胺单体 (苯胺单体与氧化石墨的摩尔比为10:1)和36％的浓盐酸16ml，然后在冰浴下、边磁力搅 拌边滴加0.04mol/mL的过硫酸铵溶液(过硫酸铵与苯胺单体的摩尔比为1:2)，且滴加速度 为0.3mL/s，滴加完成后继续搅拌5小时，再将其中的固体离心分离出来，即得到聚苯胺/氧 化石墨的复合物；

(2)将上述所得到的聚苯胺/氧化石墨复合物全部和0.05mol水合肼(水合肼浓度 85％)混合，在100℃下回流14小时，将其中的固体过滤分离出来，得到聚苯胺/石墨烯的 复合物；

(3)按铁离子与氧化石墨摩尔比为20:1，将聚苯胺/石墨烯的复合物与硝酸铁粉末(其 中铁离子0.1mol)加入到100ml去离子水中并超声分散3小时，再搅拌3小时，然后向其中 边搅拌边滴加浓氨水(浓氨水中氨与铁离子的摩尔比为4:1)，且滴加速度为0.15mL/s；滴 加完成后，继续搅拌3小时，再静止陈化16小时，然后将得到的悬浮液在氮气保护下、温 度为180℃条件下反应6小时，反应完成后，将固体分离出来，得到石墨烯/聚苯胺/氧化铁 复合材料。

实施例3

1.鳞片石墨(3g)，硝酸钠(1.1g)和浓硫酸(90ml)放入1000ml烧杯中，在搅拌器 边搅拌边加入高锰酸钾(4.5g)，加完之后继续搅拌16h；再向其中加入去离子水(350ml)， 再加入浓度为30％的双氧水(35ml)，此时悬浊液呈黄色，采用过滤或离心的方法，将固体 分离出来，烘干待用。

2、一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，它是由石墨烯、聚苯胺、 氧化铁复合形成，所述聚苯胺包覆于石墨烯上，所述氧化铁生长在包覆有聚苯胺的石墨烯 上。

3、上述应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的制备方法，包括如下步 骤：

(1)将0.005mol氧化石墨在50ml去离子水中超声分散30分钟，向其中加入苯胺单体 (苯胺单体与氧化石墨的摩尔比为5:1)和36％的浓盐酸8ml，然后在冰浴下、边磁力搅拌 边滴加0.04mol/mL的过硫酸铵溶液(过硫酸铵与苯胺单体的摩尔比为1:1)，且滴加速度为 0.2mL/s，滴加完成后继续搅拌3小时，再将其中的固体离心分离出来，即得到聚苯胺/氧化 石墨的复合物；

(2)将上述所得到的聚苯胺/氧化石墨复合物全部和0.025mol水合肼(水合肼浓度 85％)混合，在100℃下回流16小时，将其中的固体过滤分离出来，得到聚苯胺/石墨烯的 复合物；

(3)按铁离子与氧化石墨摩尔比为20:1，将聚苯胺/石墨烯的复合物与硝酸铁粉末(其 中铁离子0.1mol)加入到100ml去离子水中并超声分散3小时，再搅拌3小时，然后向其中 边搅拌边滴加浓氨水(浓氨水中氨与铁离子的摩尔比为4:1)，且滴加速度为0.15mL/s；滴 加完成后，继续搅拌3小时，再静止陈化16小时，然后将得到的悬浮液在氮气保护下、温 度为180℃条件下反应6小时，反应完成后，将固体分离出来，得到石墨烯/聚苯胺/氧化铁 复合材料。

(3)按铁离子与氧化石墨摩尔比为10:1，将聚苯胺/石墨烯的复合物与硝酸铁粉末(其 中铁离子0.05mol)加入到100ml去离子水中并超声分散3小时，再搅拌3小时，然后向其 中边搅拌边滴加浓氨水(浓氨水中氨与铁离子的摩尔比为2:1)，且滴加速度为0.2mL/s；滴 加完成后，继续搅拌2小时，再静止陈化10小时，然后将得到的悬浮液在氮气保护下、温 度为160℃条件下反应3小时，反应完成后，将固体分离出来，得到石墨烯/聚苯胺/氧化铁 复合材料。

实施例4

1.鳞片石墨(5g)，硝酸钠(2g)和浓硫酸(150ml)放入1000ml烧杯中，在搅拌器边 搅拌边加入高锰酸钾(8g)，加完之后继续搅拌12h；再向其中加入去离子水(600ml)，再 加入浓度为30％的双氧水(60ml)，此时悬浊液呈黄色，采用过滤或离心的方法，将固体分 离出来，烘干待用。

2、一种应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料，它是由石墨烯、聚苯胺、 氧化铁复合形成，所述聚苯胺包覆于石墨烯上，所述氧化铁生长在包覆有聚苯胺的石墨烯 上。

3、上述应用于超级电容器的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料的制备方法，包括如下步 骤：

(1)将0.005mol氧化石墨在50ml去离子水中超声分散30分钟，向其中加入苯胺单体 (苯胺单体与氧化石墨的摩尔比为8:1)和36％的浓盐酸10ml，然后在冰浴下、边磁力搅拌 边滴加0.04mol/mL的过硫酸铵溶液(过硫酸铵与苯胺单体的摩尔比为1:1.5)，且滴加速度 为0.3mL/s，滴加完成后继续搅拌2小时，再将其中的固体离心分离出来，即得到聚苯胺/氧 化石墨的复合物；

(2)将上述所得到的聚苯胺/氧化石墨复合物全部和0.05mol水合肼(水合肼浓度 85％)混合，在100℃下回流18小时，将其中的固体过滤分离出来，得到聚苯胺/石墨烯的 复合物；

(3)按铁离子与氧化石墨摩尔比为8:1，将聚苯胺/石墨烯的复合物与氯化铁粉末(其 中铁离子0.04mol)加入到100ml去离子水中并超声分散3小时，再搅拌3小时，然后向其 中边搅拌边滴加浓氨水(浓氨水中氨与铁离子的摩尔比为2:1)，且滴加速度为0.2mL/s；滴 加完成后，继续搅拌2小时，再静止陈化8小时，然后将得到的悬浮液在氮气保护下、温度 为180℃条件下反应3小时，反应完成后，将固体分离出来，得到石墨烯/聚苯胺/氧化铁复 合材料。

应用测试

将本发明制备的石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合材料作为电极材料进行性能测试，。具体测试 方法为：将石墨烯/聚苯胺/氧化铁复合物、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液(按质量比80:15:5配 比)混合成胶状粘附在泡沫镍上，以1mol/L的硫酸钠为电解液，在上海华辰电化学工作站 上进行循环伏安及充放电测试，测试数据参见表1。由表1可知，石墨烯/聚苯胺/氧化铁复 合材料作为超级电容器电极，比电容可达890F/g，循环次数可达5000次。

表1

对比例：以石墨烯、石墨烯/聚苯胺复合物、石墨烯/氧化铁复合物作为对比，结果如表 1所示。

其中，石墨烯的制备方法为常规制备方法是：将本发明中使用的氧化石墨用水合肼进行 还原。石墨烯/聚苯胺的制备方法参见本发明是实施例2中的制备方法步骤2(2)；石墨烯/ 氧化铁复合物的制备方法为：直接将氧化石墨与铁盐在去离子水中分散共混，在搅拌下滴加 浓氨水，然后将得到的悬浮液在氮气保护下、温度为180℃条件下反应6小时，反应完成 后，再将固体取出置于水合肼中还原，得到石墨烯/氧化铁复合材料。