CN102649843B - 一种聚苯胺/活性炭复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚苯胺/活性炭复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：将活性炭加入甲基橙溶液中，搅拌混合均匀，边搅拌边加入质子酸和苯胺单体，继续搅拌混合使充分反应，最后再加入氧化剂，充分反应，氧化后所得的聚苯胺负载在活性炭上，洗涤，真空干燥，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料；所述聚苯胺的质量占复合材料总质量的10~20%；同时所述甲基橙质量占复合材料总质量的0.05~2.5%。本发明利用甲基橙与苯胺单体之间的静电力加强了聚苯胺与活性炭之间的相互作用，并且甲基橙中的磺酸根可以作为苯胺聚合的掺杂剂，提高了苯胺的聚合度，与未加入甲基橙的聚苯胺/活性炭复合材料相比,有更高的电容性质。

Description

一种聚苯胺/活性炭复合材料及其制备方法
技术领域
    本发明涉及一种电极材料制备的改进方法，具体涉及一种超级电容器的电极材料，特别涉及一种聚苯胺/活性炭复合材料的新的制备方法，可以使材料电容性质有明显的提高。
背景技术
    作为一种新型的储能装置，超级电容器的能量密度是传统物理电容的20~200倍，功率密度比蓄电池高得多，并能在几秒内迅速充放电，循环寿命高，比功率高，在我国电动交通工具、移动通信、信息技术、航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景，有着良好的发展前景，目前发展十分迅速。研究最早的电极材料是碳材料等，这类材料具有极高的比表面积，通过双电层机理储能而使超级电容器表现出功率密度大、循环使用寿命长的特点。但是，以碳材料作为电极的超级电容器能量密度一般小于10 Wh/kg，远低于蓄电池能量密度的下限35~40 Wh/kg，这一缺陷使超级电容器的应用受到很大的限制。
对于电极材料，将聚苯胺与活性炭相结合，同时发挥聚苯胺的氧化还原准电容和活性炭的双电层电容，可以提高超级电容器能量密度。由于聚苯胺负载在活性炭上，作为基体的活性炭能够抑制聚苯胺在充放电过程中的形变而减缓其机械性能的下降，从而可以有效延长复合电极材料的循环使用寿命。
然而实现聚苯胺与活性炭的有效复合，充分发挥并优化两种材料电容性质和机械性质的协同作用，获得具有良好电容性质的电极材料，仍是超级电容器电极材料研究过程中亟待解决的问题。
发明内容
    为了解决现有聚苯胺/活性炭复合材料中存在的问题，本发明提供了一种聚苯胺/活性炭复合材料及其制备方法，利用甲基橙与苯胺单体之间的静电力加强了聚苯胺与活性炭之间的相互作用，并且甲基橙中的磺酸根可以作为苯胺聚合的掺杂剂，提高了苯胺的聚合度，与未加入甲基橙的聚苯胺/活性炭复合材料相比,有更高的的电容性质。该法可以有效地提高该复合材料的电容性质，操作简单，易于制备，效果明显，并有一定的环保意义。
    本发明的技术方案为：一种聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法，在活性炭与聚苯胺复合过程中引入甲基橙溶液，步骤为：将活性炭加入甲基橙溶液中，搅拌混合均匀，边搅拌边加入质子酸和苯胺单体，继续搅拌混合使充分反应，最后再加入氧化剂，充分反应，氧化后所得的聚苯胺负载在活性炭上，洗涤，真空干燥，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料；所述聚苯胺的质量占复合材料总质量的10~20%；同时所述甲基橙质量占复合材料总质量的0.05~2.5%，所述质子酸中H+的物质的量与苯胺单体与氧化剂的物质的量之比为5:1:4~20:4:1。
    所述的甲基橙溶液的浓度为0.1~5 mmol/L。 
    所述的质子酸选自HCl、H2SO4。
    所述的氧化剂选自过硫酸铵、硝酸铁溶液，所述的氧化剂配制为浓度为0.2 mol/L的水溶液使用。
    按照所述的聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法得到的聚苯胺/活性炭复合材料，聚苯胺/活性炭复合材料中的聚苯胺的质量分数为10~20%。
聚苯胺/活性炭复合材料在电流密度为1 A/g时的比电容≥150 F/g。
有益效果：
1 本发明方法制备的聚苯胺/活性炭复合材料具有很高的电容性质，在电流密度为1 A/g时的比电容≥150 F/g。
2 甲基橙是一种典型的偶氮染料，是工业废水中的主要污染物，甲基橙的去除也是科学研究的焦点，本发明利用了甲基橙在酸性环境下形成两性电解质与苯胺单体的静电作用，对去除和利用甲基橙的研究有一定的意义。
3利用甲基橙与苯胺单体之间的静电力加强了聚苯胺与活性炭之间的相互作用，并且甲基橙中的磺酸根可以作为苯胺聚合的掺杂剂，提高了苯胺的聚合度，与未加入甲基橙的聚苯胺/活性炭复合材料相比,有更高的的电容性质。
4 本发明的制备方法操作方便，易于推广。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的聚苯胺/活性炭复合材料的FT-IR图。
图2 为本发明实施例1制备的聚苯胺/活性炭复合材料的SEM图。
图3 为本发明实施例1制备的复合材料与未加入甲基橙的复合材料的循环伏安图。
图4 为本发明实施例1制备的复合材料与未加入甲基橙的复合材料的在各电流密度下的比电容图。
具体实施方式 一种提高聚苯胺/活性炭复合材料电容性质的方法，包括以下步骤：
将4 g活性炭加入80 mL浓度为0.1~5 mmol/L的甲基橙溶液中，搅拌4h后，在搅拌条件下加入质子酸和苯胺单体，苯胺单体的加入量应使得聚苯胺质量占复合材料质量的10~20%，质子酸选自0.5~2 mol/L HCl、H2SO4，继续搅拌3h再向混合物B中加入0.1~8 mol/L氧化剂溶液，氧化剂溶液选自过硫酸铵、硝酸铁溶液，反应4h后，氧化后所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。
测试时，采用传统的三电极体系，Pt片做辅助电极，饱和甘汞电极做参比电极。
实施例1
将4g活性炭加入80 mL 浓度为3 mmol/L的甲基橙溶液中，搅拌4h后，在搅拌条件下加入40 mL浓度为1 mol/L的HCl溶液和800μL苯胺单体，继续搅拌3h再加入40 mL 浓度为0.2 mol/L过硫酸铵溶液，搅拌反应4h后，氧化所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。该复合材料在电流密度为1A/g时，比电容为197.2 F/g。
实施例2
将4g活性炭加入80 mL 浓度为1 mmol/L的甲基橙溶液中，搅拌4h后在搅拌条件下加入40 mL浓度为 1 mol/L的HCl溶液和800μL苯胺单体，继续搅拌3h再加入40 mL 浓度为0.2 mol/L过硫酸铵溶液，搅拌反应4h后，氧化所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。该复合材料在电流密度为1 A/g时，比电容为154 F/g。
实施例3
将4g活性炭加入80 mL 浓度为0.5 mmol/L的甲基橙溶液中，搅拌4h后在搅拌条件下加入40 mL浓度为 0.5 mol/L的H2SO4溶液和360μL苯胺单体，继续搅拌3h再加入40 mL 浓度为0.2 mol/L过硫酸铵溶液，搅拌反应4h后，氧化所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。该复合材料在电流密度为1 A/g时，比电容为157 F/g。
实施例4
将4g活性炭加入80 mL 浓度为0.3 mmol/L的甲基橙溶液中，搅拌4h后在搅拌条件下加入40 mL浓度为2 mol/L的HCl溶液和1440μL苯胺单体，继续搅拌3h再中加入40 mL 浓度为0.2 mol/L硝酸铁溶液，搅拌反应4h后，氧化所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。该复合材料在电流密度为1 A/g时，比电容为155 F/g。
实施例5
将4g活性炭加入80 mL 浓度为0.1mmol/L的甲基橙溶液中，搅拌4h后在搅拌条件下加入40 mL浓度为3 mol/L的HCl溶液和2160μL苯胺单体，继续搅拌3h再加入40 mL 浓度为0.2 mol/L过硫酸铵溶液，搅拌反应4h后，氧化所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。该复合材料在电流密度为1 A/g时，比电容为176 F/g。
实施例6
将4g活性炭加入80 mL 浓度为0.1mmol/L的甲基橙溶液中，搅拌4h后在搅拌条件下加入40 mL浓度为 0.05 mol/L的HCl溶液和180μL苯胺单体，继续搅拌3h再加入40 mL 浓度为0.2 mol/L过硫酸铵溶液，搅拌反应4h后，氧化所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。该复合材料在电流密度为1 A/g时，比电容为156 F/g。
实施例7
将4g活性炭加入80 mL 浓度为0.05 mmol/L的甲基橙溶液中，搅拌4h后在搅拌条件下加入40 mL浓度为 2 mol/L的H2SO4溶液和2880μL苯胺单体，继续搅拌3h再加入40 mL 浓度为0.2 mol/L硝酸铁溶液，搅拌反应4h后，氧化所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。该复合材料在电流密度为1 A/g时，比电容为153F/g。
比较例
将4g活性炭加入80 mL去离子水中，搅拌4h后在搅拌条件下加入40 mL浓度为 1 mol/L的HCl溶液和800μL苯胺单体，继续搅拌3h再加入40 mL 浓度为0.2 mol/L过硫酸铵溶液，搅拌反应4h后，氧化所得的聚苯胺负载在活性炭上，用丙酮和去离子水交替洗涤数次后，在80℃真空中干燥12h，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料。该复合材料在电流密度为1 A/g时，比电容为148 F/g。

Claims (6)

1.一种聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，在活性炭与聚苯胺复合过程中引入甲基橙溶液，步骤为：将活性炭加入甲基橙溶液中，搅拌混合均匀，边搅拌边加入质子酸和苯胺单体，继续搅拌混合使充分反应，最后再加入氧化剂，充分反应，氧化后所得的聚苯胺负载在活性炭上，洗涤，真空干燥，最终得到聚苯胺/活性炭复合材料；所述聚苯胺的质量占复合材料总质量的10~20%；同时所述甲基橙质量占复合材料总质量的0.05~2.5%，所述质子酸中H+的物质的量与苯胺单体与氧化剂的物质的量之比为40:9:8、5:1:2、10:2:1、15:3:1、1:1:4、20:4:1。
2.如权利要求1所述的聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述的甲基橙溶液的浓度为0.1~5 mmol/L。
3.如权利要求1所述的聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述的质子酸选自HCl、H2SO4。
4.如权利要求1所述的聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述的氧化剂选自过硫酸铵、硝酸铁溶液，所述的氧化剂配制为浓度为0.2 mol/L的水溶液使用。
5.按照权利要求1~4任一所述的聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法得到的聚苯胺/活性炭复合材料，其特征在于，聚苯胺/活性炭复合材料中的聚苯胺的质量分数为10~20%。
6.如权利要求5所述的按照聚苯胺/活性炭复合材料的制备方法得到的聚苯胺/活性炭复合材料，其特征在于，聚苯胺/活性炭复合材料在电流密度为1 A/g时的比电容≥150 F/g。
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