專利名稱：一種聚苯胺/活性炭復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電極材料制備的改進(jìn)方法，具體涉及一種超級電容器的電極材料，特別涉及一種聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的新的制備方法，可以使材料電容性質(zhì)有明顯的提聞。
背景技術(shù)：
作為一種新型的儲能裝置，超級電容器的能量密度是傳統(tǒng)物理電容的2(Γ200倍，功率密度比蓄電池高得多，并能在幾秒內(nèi)迅速充放電，循環(huán)壽命高，比功率高，在我國電動交通工具、移動通信、信息技術(shù)、航空航天等高科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有著良好的發(fā)展前景，目前發(fā)展十分迅速。研究最早的電極材料是碳材料等，這類材料具有極高的比表面積，通過雙電層機(jī)理儲能而使超級電容器表現(xiàn)出功率密度大、循環(huán)使用壽命長的特點。但是，以碳材料作為電極的超級電容器能量密度一般小于10 Wh/kg，遠(yuǎn)低于蓄電池能量密度的下限35 40 Wh/kg，這一缺陷使超級電容器的應(yīng)用受到很大的限制。對于電極材料，將聚苯胺與活性炭相結(jié)合，同時發(fā)揮聚苯胺的氧化還原準(zhǔn)電容和活性炭的雙電層電容，可以提高超級電容器能量密度。由于聚苯胺負(fù)載在活性炭上，作為基體的活性炭能夠抑制聚苯胺在充放電過程中的形變而減緩其機(jī)械性能的下降，從而可以有效延長復(fù)合電極材料的循環(huán)使用壽命。然而實現(xiàn)聚苯胺與活性炭的有效復(fù)合，充分發(fā)揮并優(yōu)化兩種材料電容性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)的協(xié)同作用，獲得具有良好電容性質(zhì)的電極材料，仍是超級電容器電極材料研究過程中亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有聚苯胺/活性炭復(fù)合材料中存在的問題，本發(fā)明提供了一種聚苯胺/活性炭復(fù)合材料及其制備方法，利用甲基橙與苯胺單體之間的靜電力加強(qiáng)了聚苯胺與活性炭之間的相互作用，并且甲基橙中的磺酸根可以作為苯胺聚合的摻雜劑，提高了苯胺的聚合度，與未加入甲基橙的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料相比，有更高的的電容性質(zhì)。該法可以有效地提高該復(fù)合材料的電容性質(zhì)，操作簡單，易于制備，效果明顯，并有一定的環(huán)保意義。 本發(fā)明的技術(shù)方案為一種聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法，在活性炭與聚苯胺復(fù)合過程中引入甲基橙溶液，步驟為將活性炭加入甲基橙溶液中，攪拌混合均勻，邊攪拌邊加入質(zhì)子酸和苯胺單體，繼續(xù)攪拌混合使充分反應(yīng)，最后再加入氧化劑，充分反應(yīng)，氧化后所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，洗滌，真空干燥，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料；所述聚苯胺的質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的1(Γ20% ;同時所述甲基橙質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的O. 05^2. 5%，所述質(zhì)子酸中H+的物質(zhì)的量與苯胺單體與氧化劑的物質(zhì)的量之比為5:1:4 20:4:1。
所述的甲基橙溶液的濃度為O. Γ5 mmol/L。所述的質(zhì)子酸選自HC1、H2S04。所述的氧化劑選自過硫酸銨、硝酸鐵溶液，所述的氧化劑配制為濃度為O. 2 mol/L的水溶液使用。按照所述的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法得到的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料，聚苯胺/活性炭復(fù)合材料中的聚苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1(Γ20%。聚苯胺/活性炭復(fù)合材料在電流密度為I A/g時的比電容> 150 F/g。有益效果
I本發(fā)明方法制備的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料具有很高的電容性質(zhì)，在電流密度為I A/g時的比電容彡150 F/g。2甲基橙是一種典型的偶氮染料，是工業(yè)廢水中的主要污染物，甲基橙的去除也是科學(xué)研究的焦點，本發(fā)明利用了甲基橙在酸性環(huán)境下形成兩性電解質(zhì)與苯胺單體的靜電作用，對去除和利用甲基橙的研究有一定的意義。3利用甲基橙與苯胺單體之間的靜電力加強(qiáng)了聚苯胺與活性炭之間的相互作用，并且甲基橙中的磺酸根可以作為苯胺聚合的摻雜劑，提高了苯胺的聚合度，與未加入甲基橙的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料相比，有更高的的電容性質(zhì)。4本發(fā)明的制備方法操作方便，易于推廣。


圖I為本發(fā)明實施例I制備的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的FT-IR圖。圖2為本發(fā)明實施例I制備的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的SEM圖。圖3為本發(fā)明實施例I制備的復(fù)合材料與未加入甲基橙的復(fù)合材料的循環(huán)伏安圖。圖4為本發(fā)明實施例I制備的復(fù)合材料與未加入甲基橙的復(fù)合材料的在各電流密度下的比電容圖。
具體實施方式
一種提高聚苯胺/活性炭復(fù)合材料電容性質(zhì)的方法，包括以下步驟
將4 g活性炭加入80 mL濃度為O. f 5 mmol/L的甲基橙溶液中，攪拌4h后，在攪拌條件下加入質(zhì)子酸和苯胺單體，苯胺單體的加入量應(yīng)使得聚苯胺質(zhì)量占復(fù)合材料質(zhì)量的10 20%，質(zhì)子酸選自O(shè). 5 2 mol/L HC1、H2S04，繼續(xù)攪拌3h再向混合物B中加入O. I 8 mol/L氧化劑溶液，氧化劑溶液選自過硫酸銨、硝酸鐵溶液，反應(yīng)4h后，氧化后所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù)次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。測試時，采用傳統(tǒng)的三電極體系，Pt片做輔助電極，飽和甘汞電極做參比電極。實施例I
將4g活性炭加入80 mL濃度為3 mmol/L的甲基橙溶液中，攪拌4h后，在攪拌條件下加入40 mL濃度為I mol/L的HCl溶液和800 μ L苯胺單體，繼續(xù)攪拌3h再加入40 mL濃度為0. 2 mol/L過硫酸銨溶液，攪拌反應(yīng)4h后，氧化所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù)次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料在電流密度為lA/g時，比電容為197. 2 F/g。實施例2
將4g活性炭加入80 mL濃度為I mmol/L的甲基橙溶液中，攪拌4h后在攪拌條件下加Λ 40 mL濃度為I mol/L的HCl溶液和800 μ L苯胺單體，繼續(xù)攪拌3h再加入40 mL濃度為O. 2 mol/L過硫酸銨溶液，攪拌反應(yīng)4h后，氧化所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù)次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料在電流密度為I A/g時，比電容為154 F/g。實施例3
將4g活性炭加入80 mL濃度為O. 5 mmol/L的甲基橙溶液中，攪拌4h后在攪拌條件下加入40 mL濃度為O. 5 mol/L的H2SO4溶液和360 μ L苯胺單體，繼續(xù)攪拌3h再加入40 mL濃度為0. 2 mol/L過硫酸銨溶液，攪拌反應(yīng)4h后，氧化所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù)次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料在電流密度為I A/g時，比電容為157 F/g。實施例4
將4g活性炭加入80 mL濃度為0.3 mmol/L的甲基橙溶液中，攪拌4h后在攪拌條件下加入40 mL濃度為2 mol/L的HCl溶液和1440 μ L苯胺單體，繼續(xù)攪拌3h再中加入40 mL濃度為0. 2 mol/L硝酸鐵溶液，攪拌反應(yīng)4h后，氧化所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù)次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料在電流密度為I A/g時，比電容為155 F/g。實施例5
將4g活性炭加入80 mL濃度為0. lmmol/L的甲基橙溶液中，攪拌4h后在攪拌條件下加入40 mL濃度為3 mol/L的HCl溶液和2160 μ L苯胺單體，繼續(xù)攪拌3h再加入40 mL濃度為0. 2 mol/L過硫酸銨溶液，攪拌反應(yīng)4h后，氧化所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù)次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料在電流密度為I A/g時，比電容為176 F/g。實施例6
將4g活性炭加入80 mL濃度為0. lmmol/L的甲基橙溶液中，攪拌4h后在攪拌條件下加入40 mL濃度為0. 05 mol/L的HCl溶液和180 μ L苯胺單體，繼續(xù)攪拌3h再加入40 mL濃度為0. 2 mol/L過硫酸銨溶液，攪拌反應(yīng)4h后，氧化所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù)次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料在電流密度為I A/g時，比電容為156 F/g。實施例7
將4g活性炭加入80 mL濃度為0. 05 mmol/L的甲基橙溶液中，攪拌4h后在攪拌條件下加入40 mL濃度為2 mol/L的H2SO4溶液和2880 μ L苯胺單體，繼續(xù)攪拌3h再加入40 mL濃度為0. 2 mol/L硝酸鐵溶液，攪拌反應(yīng)4h后，氧化所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù)次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料在電流密度為I A/g時，比電容為153F/g。比較例
將4g活性炭加入80 mL去離子水中，攪拌4h后在攪拌條件下加入40 mL濃度為I mol/L的HCl溶液和800 μ L苯胺單體，繼續(xù)攪拌3h再加入40 mL濃度為O. 2 mol/L過硫酸銨溶液，攪拌反應(yīng)4h后，氧化所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，用丙酮和去離子水交替洗滌數(shù) 次后，在80°C真空中干燥12h，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料在電流密度為I A/g時，比電容為148 F/g。
權(quán)利要求
1.ー種聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在活性炭與聚苯胺復(fù)合過程中引入甲基橙溶液，步驟為將活性炭加入甲基橙溶液中，攪拌混合均勻，邊攪拌邊加入質(zhì)子酸和苯胺單體，繼續(xù)攪拌混合使充分反應(yīng)，最后再加入氧化劑，充分反應(yīng)，氧化后所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，洗滌，真空干燥，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料；所述聚苯胺的質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的1(T20% ；同時所述甲基橙質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的0. 05^2. 5%，所述質(zhì)子酸中H+的物質(zhì)的量與苯胺單體與氧化劑的物質(zhì)的量之比為5:1:4 20:4:1。
2.權(quán)利要求I所述的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的甲基橙溶液的濃度為0. r5 mmol/L。
3.權(quán)利要求I所述的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的質(zhì)子酸選自 HCl、H2SO4。
4.權(quán)利要求I所述的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的氧化劑選自過硫酸銨、硝酸鐵溶液，所述的氧化劑配制為濃度為0. 2 mol/L的水溶液使用。
5.按照權(quán)利要求r4任一所述的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法得到的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料，其特征在干，聚苯胺/活性炭復(fù)合材料中的聚苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1(T20%。
6.權(quán)利要求5所述的按照聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法得到的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料，其特征在干，聚苯胺/活性炭復(fù)合材料在電流密度為I A/g時的比電容> 150F/g0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚苯胺/活性炭復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟將活性炭加入甲基橙溶液中，攪拌混合均勻，邊攪拌邊加入質(zhì)子酸和苯胺單體，繼續(xù)攪拌混合使充分反應(yīng)，最后再加入氧化劑，充分反應(yīng)，氧化后所得的聚苯胺負(fù)載在活性炭上，洗滌，真空干燥，最終得到聚苯胺/活性炭復(fù)合材料；所述聚苯胺的質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的10~20%；同時所述甲基橙質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的0.05~2.5%。本發(fā)明利用甲基橙與苯胺單體之間的靜電力加強(qiáng)了聚苯胺與活性炭之間的相互作用，并且甲基橙中的磺酸根可以作為苯胺聚合的摻雜劑，提高了苯胺的聚合度，與未加入甲基橙的聚苯胺/活性炭復(fù)合材料相比,有更高的的電容性質(zhì)。
文檔編號C08K13/02GK102649843SQ201210151388
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者孫康, 蔣劍春, 賈羽潔 申請人:中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所