共摻雜聚吡咯材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種共摻雜聚吡咯材料及其制備方法和應(yīng)用。方法為在溶有吡咯單體、蒽醌-2-磺酸鈉、氧化石墨烯溶液中使用電化學(xué)沉積法獲得聚吡咯/蒽醌/氧化石墨烯復(fù)合材料，再將其進(jìn)行電化學(xué)還原得到聚吡咯/蒽醌/氧化石墨烯復(fù)合材料。本發(fā)明的方法在常溫下可進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易且所使用的共摻雜體系選擇范圍廣。本發(fā)明制備的多孔的、微納米結(jié)構(gòu)的聚吡咯復(fù)合材料是一種具有優(yōu)異導(dǎo)電性能和電化學(xué)性能的電極材料，可用作柔性儲(chǔ)能設(shè)備中。
【專利說明】共摻雜聚吡咯材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種共摻雜聚吡咯材料及其制備方法和應(yīng)用，特別涉及一種制備生物相容性電池用聚吡咯復(fù)合電極材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有植入性醫(yī)療器械所用的電源以鋰電池為主，如Li/I2，Li/V205, Li/Mn02, Li/Ag2V4O11 and Li/CFx。電極材料和電解液本身的毒性使電池需要電池殼與人體保持隔絕以保證安全，這無形中大大增加了電池以及植入性醫(yī)療器械的體積，不利于其微型化。研究微型化的植入性醫(yī)療器械電源已成為當(dāng)前國(guó)際上熱門且迫在眉睫的研究課題。
[0003]生物相容性電池結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，原理是一種金屬/空氣電池。它利用人體體液作為電解液，同時(shí)利用體液中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，消耗負(fù)極提供電源。通常負(fù)極是生物可相容的鋅或鎂合金，正極是生物可相容的且具有氧還原活性的貴金屬鉬。該電池由于正負(fù)極以及反應(yīng)產(chǎn)物與人體的生物可相容性，可以消除電解液和電池殼在電池中的使用，大大提高了電池微型化的可能性。
[0004]在上述生物相容性電池中，鉬由于優(yōu)異的氧還原活性和生物可相容性成為空氣正極的首選材料，但是作為貴金屬，由于高昂的價(jià)格，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。科學(xué)家們通過大量研究指出導(dǎo)電聚合物(如聚吡咯(PPy)、聚3，4-乙二氧基噻吩(PEDOT))因?yàn)榱己玫难踹€原活性和生物可相容性，可以應(yīng)用于生物可相容性電池中。同時(shí)，導(dǎo)電聚合物具有電導(dǎo)率高、原料易得、合成簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，是作為正極的理想材料。但相對(duì)于金屬鉬，導(dǎo)電聚合物的氧還原活性限制了電池性能，特別是電池的電壓平臺(tái)。另外，由于導(dǎo)電聚合物在大電流放電過程中易于轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼倪€原態(tài)，而還原態(tài)的導(dǎo)電聚合物是絕緣的，這大大增加了電池的內(nèi)阻，從而導(dǎo)致電池電壓快速下降，影響電池性能。提高電池的高倍率性能也成為了導(dǎo)電聚合物基生物相容性電池實(shí)際應(yīng)用亟待解決的首要問題。
[0005]聚吡咯的物理-化學(xué)性質(zhì)容易隨著摻雜劑的改變而改變，所以引入具有氧還原活性的摻雜劑有助于提高聚吡咯的氧還原催化能力?，F(xiàn)有技術(shù)中，張國(guó)權(quán)等人電化學(xué)沉積得到聚吡咯/蒽醌復(fù)合材料，該材料表現(xiàn)出優(yōu)良的氧還原催化活性。但是該材料并不能克服解決還原態(tài)下聚吡咯高阻抗的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種共摻雜聚吡咯材料及其制備方法和應(yīng)用。
[0007]—種共摻雜聚吡咯材料的制備方法，用兩種不同類型摻雜劑以共摻雜的形式電沉積聚吡咯，其特征在于，在溶有0.05-0.2 M吡咯單體、0.0005-0.002 M水溶性醌類化合物、
0.5-2.0 mg/ml氧化石墨烯溶液中使用電化學(xué)沉積法獲得聚吡咯/蒽類化合物/氧化石墨烯復(fù)合材料，施加電流為0.1-2 mA cm_2，電沉積的電量為0.5-4庫(kù)倫，再將其進(jìn)行電化學(xué)還原得到聚吡咯/蒽類化合物/氧化石墨烯復(fù)合材料。[0008]所述的水溶性醌類化合物是蒽醌-2-磺酸鈉、磺化菲醌、亞硫酸氫鈉甲萘醌中的一種或其組合。
[0009]一種共摻雜聚吡咯材料，由上述任一所述方法制備得到。
[0010]共摻雜聚吡咯材料作為生物相容性電池的復(fù)合電極的應(yīng)用。
[0011]一種生物可相容性電池，正極是表面電沉積有聚吡咯(PPy)/蒽醌(AQS)/石墨烯(r-GO)復(fù)合材料的不銹鋼網(wǎng)；負(fù)極是AZ61鎂合金；電解液是PBS緩沖溶液。
[0012]本發(fā)明采用電聚合-電還原技術(shù)制備聚吡咯(PPy)/蒽醌(AQS)/石墨烯(r-GO)復(fù)合材料電極，在聚吡咯結(jié)構(gòu)中引入具有優(yōu)異導(dǎo)電性的石墨烯提高了聚合物的導(dǎo)電性以及其還原狀態(tài)下的導(dǎo)電性。
[0013]有益效果:
(I)蒽醌和石墨烯的協(xié)同效性不僅增強(qiáng)了電極的氧還原能力，而且電導(dǎo)性也得到可觀的提高，顯著提高了聚吡咯基生物可相容性電池的性能。
[0014](2)蒽醌和石墨烯兩者作為吡咯摻雜劑表現(xiàn)出‘競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系’，從而使得材料表面出現(xiàn)了多孔結(jié)構(gòu)，利于材料中離子和氧氣的傳導(dǎo)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是實(shí)施例一所制備PPy/AQS/r-GO的掃描電鏡圖。
[0016]圖2是實(shí)施例一所制備PPy/AQS/r-GO的循環(huán)伏安圖，掃速為5 mV s—1。
[0017]圖3是實(shí)施例一所制備PPy/AQS/r-GO電極在生物電池上的放電曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，以下實(shí)施例不對(duì)本發(fā)明產(chǎn)生限制。
[0019]實(shí)施例一:
配置含0.1 M的吡咯單體、0.0005 M AQS硫酸鹽、1.0 mg/ml氧化石墨烯(GO)水溶液，通N2 30min后，采用三電極體系進(jìn)行恒電流電沉積，施加電流為0.5 mA cm_2，電沉積的電量為1.2庫(kù)倫；將所得到的PPy/AQS/GO復(fù)合材料洗凈后在放置在三電極體系中進(jìn)行電化學(xué)還原，施加電壓為1.1 V,電解液為PBS緩沖溶液,反應(yīng)后用水反復(fù)清洗即可得到PPy/AQS/r-G0電極材料。
[0020]實(shí)施例二:
配置含0.2 M的吡咯單體、0.0005 M AQS硫酸鹽、1.0 mg/ml氧化石墨烯(GO)水溶液，通凡30min后，采用三電極體系進(jìn)行恒電流電沉積，施加電流為2 mA cm_2，電沉積的電量為2.0庫(kù)倫；將所得到的PPy/AQS/GO復(fù)合材料洗凈后在放置在三電極體系中進(jìn)行電化學(xué)還原，施加電壓為1.2 V,電解液為PBS緩沖溶液,反應(yīng)后用水反復(fù)清洗即可得到PPy/AQS/r-G0電極材料。
[0021]實(shí)施例三:
配置含0.05 M的吡咯單體、0.1 M AQS硫酸鹽、I mg/ml氧化石墨烯(GO)水溶液，通N230min后，采用三電極體系進(jìn)行恒電流電沉積，施加電流為I mA cm_2，電沉積的電量為1.6庫(kù)倫；將所得到的PPy/AQS/GO復(fù)合材料洗凈后在放置在三電極體系中進(jìn)行電化學(xué)還原，施加電壓為1.0 V,電解液為PBS緩沖溶液，反應(yīng)后用水反復(fù)清洗即可得到PPy/AQS/r-GO電極材料。
[0022]實(shí)施例四:
配置含0.05 M的吡咯單體、0.1 M AQS硫酸鹽、0.5 mg/ml氧化石墨烯(GO)水溶液，通N230min后，采用三電極體系進(jìn)行恒電流電沉積，施加電流為0.5 mA cm_2，電沉積的電量為1.8庫(kù)倫；將所得到的PPy/AQS/GO復(fù)合材料洗凈后在放置在三電極體系中進(jìn)行電化學(xué)還原，施加電壓為1.1 V,電解液為PBS緩沖溶液，反應(yīng)后用水反復(fù)清洗即可得到PPy/AQS/r-GO電極材料。
【權(quán)利要求】
1.一種共摻雜聚吡咯材料的制備方法，用兩種不同類型摻雜劑以共摻雜的形式電沉積聚吡咯，其特征在于，在溶有0.05-0.2 M吡咯單體、0.0005-0.002 M水溶性醌類化合物、0.5-2.0 mg/ml氧化石墨烯溶液中使用電化學(xué)沉積法獲得聚吡咯/蒽類化合物/氧化石墨烯復(fù)合材料，施加電流為0.1-2 mA cm_2，電沉積的電量為0.5-4庫(kù)倫，再將其進(jìn)行電化學(xué)還原得到聚吡咯/蒽類化合物/氧化石墨烯復(fù)合材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的共摻雜聚吡咯材料的制備方法，其特征在于，所述的水溶性醌類化合物是蒽醌-2-磺酸鈉、磺化菲醌、亞硫酸氫鈉甲萘醌中的一種或其組合。
3.一種共摻雜聚吡咯材料，其特征在于，由上述任一權(quán)利要求所述方法制備得到。
4.按照權(quán)利要求3所述共摻雜聚吡咯材料作為生物相容性電池的復(fù)合電極的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】H01M4/60GK103996856SQ201410206867
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】何丹農(nóng), 楊揚(yáng), 張春明, 黃昭, 王丹, 吳曉燕, 嚴(yán)鵬 申請(qǐng)人:上海納米技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程研究中心有限公司