一种立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料的制备方法

摘要

一种立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料的制备方法，其所述方法是采用电压脉冲一步共聚法在涂有碳纳米管的导电基体表面，通过调整电压脉冲参数调控复合膜中聚苯胺/铁氰化镍组分含量比和立方纳米颗粒尺度，制得聚苯胺/铁氰化镍杂化材料是电化学传感器和超级电容器的优良材料，具有优良的电催化性能和超级电容性能，而且制备方法简单，可控性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚苯胺/铁氰化镍杂化材料的制备方法，特别是一种电压脉冲一步共聚法制备立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料。

技术背景

有机无机杂化材料是一种均匀的多相材料，与具有较大微相尺寸的传统的复合材料相比有明显的区别。有机无机杂化材料具有纳米材料的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等性质。此外，这种材料的形态和性能可在相当大的范围内进行调节，使材料的性能呈现多样化。因此，该材料综合了有机无机各自的优点，具有较高的稳定性，在力学、热学、光学、电磁学和生物学等方面具有许多优异性能，成为材料学科研究的热点。

目前有机无机杂化材料的制备方法主要有溶胶凝胶法、共混法、原位聚合法、插层法、电化学方法等。溶胶凝胶法[Anal. Biochem., 2004, 329: 247-252] 一般会发生较为明显的相分离，很难得到均质的复合材料，从而严重影响了材料的光学和力学等性能；共混法[J. Membr. Sci., 2011, 378: 503-511] 有机相易发生团聚可导致材料的组分分布不均匀，难以达到可控制备；原位聚合法[Dyes Pigm., 2008, 79: 236] 制备时间较长，所制备材料的稳定性较差，原材料消耗较大；插层法[Thermochim. Acta, 2010, 507-508: 142-145]缺点是只适用于具有层状结构的无机物；电化学方法[Electrochem. Commun., 2005, 7: 875-878]因其突出优点受到广泛的关注，Lisowska-Oleksiak [J. Power Sources, 2007, 173: 829]等通过两步电化学聚合获得了PEDOT/MHCF 杂化膜；Kulesza [Electrochim. Acta, 2007, 53: 1235]等采用交替浸渍+电聚合方法合成了PyBA/PEDOT/NiHCF以及磷钼酸修饰的CNTs/PEDOT(PANI)杂化膜。由于带正电的导电聚合物与带负电的 MHCF之间的静电吸引作用复合材料显示出快速的离子传递能力和良好的化学稳定性, 但上述多步合成方法相当复杂且材料各方面性能尚需改进。

碳纳米管修饰电极拥有优异的电化学性能，与传统的碳材料相比，具有大的比表面积，可以为电化学反应提供足够的反应场所。而且，碳纳米管表面的石墨烯片层结构可以使其具有很大的疏水性和共轭性，可以和许多功能分子发生作用，从而提供更多的电化学功能。而碳纳米管复合材料修饰电极不仅具有碳纳米管的优异性能，还拥有与其复合的材料的独特性质，因而将具有更为优异的协同电催化性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有制备有机无机杂化材料的相融合性差、组分分布不均匀、电荷传导能力和稳定性差，提供一种立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料的制备方法。

本发明上述所提供的一种立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料的制备方法，其所述方法按下列步骤进行：

（1）将0.002~0.01mol·L^-1 的铁氰化钾、0.002~0.01mol·L^-1 的硫酸镍、0.25 mol·L^-1 的硫酸钠、0.5 mol·L^-1 的硫酸和0.01~0.2 mol·L^-1的苯胺进行混合，获得混合溶液；

（2）采用三电极体系在导电基体上电压脉冲一步共聚制备聚苯胺/铁氰化镍杂化膜电极，脉冲信号设置：脉冲高电压为：0.7~1.2V；脉冲低电压为：-0.2~0.5V；高电压脉冲时间为：0.05~1.0s；低电压脉冲时间为：0.4~2s；脉冲次数为：100~300次；

（3）将制备好的聚苯胺/铁氰化镍杂化膜电极取出用蒸馏水冲洗，常温干燥，即得到立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料。

上述技术方案所附加的技术特征在于：所述导电基体为碳纳米管修饰的惰性基体；所述三电极是碳纳米管修饰的惰性基体为工作电极，惰性电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。

实施本发明上述的一种立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料的制备方法的技术方案解决了现有溶胶凝胶法、共混法、原位聚合法和插层法在制备有机无机杂化材料过程中存在的操作复杂，制备所带来的二次污染，杂化材料电化学性能低等问题；同时改进了多步和其它电化学方法的制备结构缺陷。提供了一种操作简单、杂化材料可控和无二次污染的立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料的制备方法，且该方法所制备的杂化材料电化学性能良好且稳定性较高。本发明方法与现有技术相比，其突出的特点主要体现在于：

（1）本方法制得的立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料综合了有机无机各自的优点，使导电聚苯胺与无机铁氰化镍真正实现了分子杂化，增强了分子间的质、核传递性能。

（2）本方法通过调整电压脉冲参数，可调控复合膜中铁氰化镍/聚苯胺组分含量比和立方纳米颗粒尺度。

（3）本方法所采用的原料价廉易得，无需预处理，降低了制备成本。

（4）本方法合成反应过程工艺流程操作简单，通过调整电压脉冲参数便可控制杂化材料形貌与性能。

（5）本方法材料制备过程影响因素少，重现性好。

（6）本方法反应条件温和，在常温下进行，反应时间短，能耗少。

（7）本方法形成立方纳米颗粒，且分布均匀。

（8）本方法制得的杂化材料具有良好的电催化活性和超级电容性能，且稳定性高。

附图说明

图1是本发明方法实施例1下制备的铁氰化镍/聚苯胺复合膜的SEM照片。

图2是本发明方法实施例1下制备的铁氰化镍/聚苯胺复合膜的红外光谱图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进一步说明。

实施例1

本发明采用电压脉冲一步共聚法制备立方纳米颗粒聚苯胺/铁氰化镍杂化材料，该方法操作简单易行，通过调整脉冲参数可调控复合膜中铁氰化镍/聚苯胺组分含量比和立方纳米颗粒尺度。使用该方法制得的杂化材料综合了有机无机各自的优点，使导电聚苯胺与无机铁氰化镍真正实现了分子杂化，其稳定性和电化学性能得到提高。本发明采取的方法按下列步骤进行：

步骤1、将1.3142g的硫酸镍溶于500ml的水溶液中配置成0.01 mol/L的硫酸镍水溶液A；

步骤2、将88.7875g的硫酸钠溶于500ml的水溶液中配置成1.25 mol/L的硫酸钠水溶液B；

步骤3、将127.1625g的硫酸溶于500ml的水溶液中配置成2.5 mol/L的硫酸水溶液C；

步骤4、将1.6463g的铁氰化钾溶于500ml的水溶液中配置成0.01 mol/L的铁氰化钾水溶液D；

步骤5、将9.312g苯胺单体溶于100ml的水溶液中配置成1.0 mol/L的苯胺水溶液E；

步骤6、将溶液A, B, C, D, E分别取5ml置入烧杯中搅拌均匀；

步骤7、采用三电极体系（对电极为铂片，工作电极为0.5cm²经碳纳米管修饰过的铂片，饱和甘汞电极为参比电极）。设置双脉冲信号为：高电位=0.95V、时间0.4s，低电位=0.3V、时间1s，脉冲次数150次；

步骤8、将制备好的复合膜电极取出用蒸馏水冲洗干净，常温干燥48h，即可得到具有分布均匀纳米颗粒的复合膜。所制备复合膜中铁氰化镍(KNiFe(CN)₆)和聚苯胺(-C₆H₄-NH-)₄的摩尔比为1:2，检测双氧水灵敏度为1530mA·M^-1·cm^-2。

实施例2

步骤1、将1.3142g的硫酸镍溶于500ml的水溶液中配置成0.01 mol/L的硫酸镍水溶液A；

步骤2、将88.7875g的硫酸钠溶于500ml的水溶液中配置成1.25 mol/L的硫酸钠水溶液B；

步骤3、将127.1625g的硫酸溶于500ml的水溶液中配置成2.5 mol/L的硫酸水溶液C；

步骤4、将1.6463g的铁氰化钾溶于500ml的水溶液中配置成0.01 mol/L的铁氰化钾水溶液D；

步骤5、将9.312g苯胺单体溶于100ml的水溶液中配置成1.0 mol/L的苯胺水溶液E；

步骤6、将溶液A, B, C, D, E分别取5ml置入烧杯中搅拌均匀；

步骤7、采用三电极体系（对电极为铂片，工作电极为0.5cm²经碳纳米管修饰过的铂片，饱和甘汞电极为参比电极）。设置双脉冲信号为：高电位=1.1V、时间1.0s，低电位=0.4V、时间1.0s，脉冲次数150次；

步骤8、将制备好的复合膜电极取出用蒸馏水冲洗干净，常温干燥48h，即可得到具有分布均匀纳米颗粒的复合膜。所制备复合膜中铁氰化镍(KNiFe(CN)₆)和聚苯胺(-C₆H₄-NH-)₄的摩尔比为1:3.2，在电流密度为 20 mA cm^-2 充放电时复合膜的比容量高达361 F g^-1。

实施例3

步骤1、将1.3142g的硫酸镍溶于500ml的水溶液中配置成0.01 mol/L的硫酸镍水溶液A；

步骤2、将88.7875g的硫酸钠溶于500ml的水溶液中配置成1.25 mol/L的硫酸钠水溶液B；

步骤3、将127.1625g的硫酸溶于500ml的水溶液中配置成2.5 mol/L的硫酸水溶液C；

步骤4、将1.6463g的铁氰化钾溶于500ml的水溶液中配置成0.01 mol/L的铁氰化钾水溶液D；

步骤5、将9.312g苯胺单体溶于100ml的水溶液中配置成1.0 mol/L的苯胺水溶液E；

步骤6、将溶液A, B, C, D, E分别取5ml置入烧杯中搅拌均匀；

步骤7、采用三电极体系（对电极为铂片，工作电极为0.5cm²经碳纳米管修饰过的铂片，饱和甘汞电极为参比电极）。设置双脉冲信号为：高电位=0.95V、时间0.4s，低电位=0.3V、时间2s，脉冲次数150次；

步骤8、将制备好的复合膜电极取出用蒸馏水冲洗干净，常温干燥48h，即可得到具有分布均匀纳米颗粒的复合膜。所制备复合膜中铁氰化镍(KNiFe(CN)₆)和聚苯胺(-C₆H₄-NH-)₄的摩尔比为1:1.6，检测双氧水灵敏度为3119 mA·M^-1·cm^-2。

实施例4

步骤1、将1.3142g的硫酸镍溶于500ml的水溶液中配置成0.01 mol/L的硫酸镍水溶液A；

步骤2、将88.7875g的硫酸钠溶于500ml的水溶液中配置成1.25 mol/L的硫酸钠水溶液B；

步骤3、将127.1625g的硫酸溶于500ml的水溶液中配置成2.5 mol/L的硫酸水溶液C；

步骤4、将1.6463g的铁氰化钾溶于500ml的水溶液中配置成0.01 mol/L的铁氰化钾水溶液D；

步骤5、将9.312g苯胺单体溶于100ml的水溶液中配置成1.0 mol/L的苯胺水溶液E；

步骤6、将溶液A, B, C, D, E分别取5ml置入烧杯中搅拌均匀；

步骤7、采用三电极体系（对电极为铂片，工作电极为0.5cm²经碳纳米管修饰过的铂片，饱和甘汞电极为参比电极）。设置双脉冲信号为：高电位=1.0V、时间0.4s，低电位=0.5V、时间1s，脉冲次数300次；

步骤8、将制备好的复合膜电极取出用蒸馏水冲洗干净，常温干燥48h，即可得到具有分布均匀纳米颗粒的复合膜。所制备复合膜中铁氰化镍(KNiFe(CN)₆)和聚苯胺(-C₆H₄-NH-)₄的摩尔比为1:2.5，在电流密度为 20 mA cm^-2 充放电时复合膜的比容量高达232 F g^-1。