CN106340399A - 一种功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米材料制备技术领域，一种功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底的制备方法及应用，其中制备方法包括以下步骤：1、将碳基底浸入到pH值调至碱性的三羟甲基氨基甲烷水溶液中，再与多巴胺盐酸盐反应，得到聚多巴胺包覆碳基底；2、将得到的聚多巴胺包覆碳基底进行高温碳化，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底；3、再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底与双金属盐溶液反应，得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底。该功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底结构稳定，电化学活性高，将其用作超级电容器电极材料具有比电容高，倍率特性好等一系列优点，而且制备方法简单易操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底的制备方法及应用，属于纳米材料制备技术领域。
背景技术
仿生合成是人们一直在探索的制备功能材料的有效方法。在2007年PhillipB.Messersmith等人通过对贻贝黏附蛋白在湿润基底表面强力的粘附作用分析后发现，黏附蛋白与基底表面相互作用的主要为3,4-二羟基-L-苯丙氨酸(DOPA)和富含赖氨酸的蛋白质成分。受此启发，他们提出了基于具有类似结构的小分子多巴胺的表面化学方法，对各类有机和无机基底进行表面功能性包覆修饰(《科学》(Science，2007年5849期426页))。多巴胺作为DOPA类似物，本身是哺乳动物神经系统中一种重要的神经递质，它可以在室温碱性水溶液中自身氧化聚合生成相应聚合物聚多巴胺，并可以在各种有机、无机基体(亦包括各类纳米材料)上形成纳米尺度的均匀包覆层。此外，聚多巴胺也是近年来受到较多关注的一种新型碳源，聚多巴胺碳化后具有高碳收率、高导电性、原位杂原子掺杂等特点，并且聚多巴胺衍生炭层可以进一步功能化，如接枝相应的化合物制备出超亲水或超疏水性涂层、表面沉积金属或金属氧化物，接枝相应的功能化聚合物等，其在超级电容器，锂离子电池、电催化等领域具有重要的潜在应用价值，因此聚多巴胺及其衍生炭具有广泛的研究价值和意义。
目前超级电容器常用的高活性材料以金属氢氧化物，金属氧化物等为主，但由于其导电性差，结构稳定性差等问题，导致其容易在大功率密度下发生团聚和脱落等现象，现有技术中用于提高金属氢氧化物，金属氧化物等稳定性的方式主要是将其负载于各种基底上，但由于各种基底本身的固有缺陷，并不能实现高活性物质的均匀负载和电化学活性位点的充分暴露。如果能够通过某种简单易行的方法使得电化学活性高的材料稳定的结合在经过表面修饰的碳基底上，并实现纳米尺度的均匀分散，将会极大地提高超级电容器的电化学性能，进一步促进高性能超级电容器的商业化应用。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底的制备方法及应用，该制备方法工艺简单、操作安全、设备简单易得、成本低廉，制备所得到的材料用作超级电容器的电极片，比容量高，倍率特性好，可以促进高性能超级电容器的应用。
为了实现上述发明目的，解决现有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将浓度为0.5～5.0mg/mL的三羟甲基氨基甲烷加入到体积为50～150mL的去离子水中，然后加入浓度为0.1mol/L的稀盐酸，搅拌10～40min调节pH值至8.0～9.0，再将碳基底浸入到三羟甲基氨基甲烷的水溶液中，随后再加入浓度为1～5mg/mL的多巴胺盐酸盐，室温下反应6～48h，得到聚多巴胺包覆碳基底，所述碳基底选自碳布、碳纤维纸或石墨纸中的一种；
步骤2、将步骤1、得到的聚多巴胺包覆碳基底在惰性气体保护下进行高温碳化，温度从室温以1～15℃/min的升温速率升至600～900℃，恒温20～130min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底，所述惰性气体选自氩气、氮气或氦气中的一种；
步骤3、将步骤2得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底加入到30～120mL的双金属盐溶液中，在120～220℃下反应2～24h，得到目标材料功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底；所述双金属盐溶液选自六水合硝酸镍，六水合硝酸钴及十六烷基三甲基溴化铵与水、乙醇的混合溶液；所述六水合硝酸镍的浓度为0.01～0.5mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.005～0.2mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.01～1mol/L，水与乙醇的体积比为1：2～10。
所述制备方法制得功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底在超级电容器电极片中的应用。
本发明有益效果是：一种功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底的制备方法及应用，其中制备方法包括以下步骤：1、将碳基底浸入到pH值调至碱性的三羟甲基氨基甲烷水溶液中，再与多巴胺盐酸盐反应，得到聚多巴胺包覆碳基底；2、将得到的聚多巴胺包覆碳基底进行高温碳化，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底；3、再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底与双金属盐溶液反应，得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底。与已有技术相比，本发明具有以下效果：(1)利用多巴胺在室温碱性缓冲液中容易发生氧化自聚合的特性，采用浸渍法及高温碳化对碳基底表面功能化修饰的方法简单，成本低，在不破坏碳基底结构及性质的前提下，同时引入聚多巴胺层，随后高温碳化形成结构稳定、导电性优异的聚多巴胺衍生炭层，还可以作为功能纳米材料的载体，进行进一步的衍生化。(2)水热反应后得到功能化聚多巴胺衍生炭层，由于聚多巴胺衍生炭层的存在使层状的双金属氢氧化物纳米片稳定的负载在碳基底表面，因而该材料具备优异的电化学活性，将其用于超级电容器电极材料具有比电容高，倍率特性好等一系列优点。这一制备方法同时也为研制和开发潜在应用于超级电容器、锂离子电池、电催化和燃料电池等方面的复合材料提供了技术基础。
附图说明
图1是实施例1中制备的聚多巴胺衍生炭层包覆碳布的透射电镜照片图。
图2是实施例1中制备的功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布的扫描电镜照片图。
图3是实施例1中制备的功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布的X射线衍射分析图。
图4是实施例3中制备的聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸的透射电镜照片图。
图5为实施例3中制备的功能化聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸的扫描电镜照片图。
图6是实施例7中制备的功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布电极材料的质量比电容对电流密度图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
称取200mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到100mL的去离子水中，然后滴加浓度为0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌16min后将碳布浸入到溶液中，随后加入200mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应12h，得到聚多巴胺包覆碳布；然后将得到的聚多巴胺包覆碳布在氮气保护下进行高温碳化，温度从室温以5℃/min的升温速率升至800℃，恒温120min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳布；再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳布浸渍入到80mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.03mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.01mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.04mol/L，水与乙醇的体积比为1：5，180℃下反应12h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。聚多巴胺衍生炭层包覆碳布的透射电镜照片，如图1所示，由图中可知，聚多巴胺衍生炭层的厚度约20nm，且均匀包覆在碳布的表面。图2、图3为本实施例中制备的功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布的扫描电镜照片及X射线衍射分析图。
实施例2
称取180mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到60mL的去离子水中，然后滴加0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌18min后将碳布浸入到溶液中，随后加入180mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应24h，得到聚多巴胺包覆碳布；然后将得到的聚多巴胺包覆碳布在氮气保护下进行高温碳化，温度从室温以10℃/min的升温速率升至700℃，恒温90min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆的碳布浸渍入到60mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.02mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.01mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.03mol/L，水与乙醇的体积比例为1：4，160℃下反应12h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。
实施例3
称取350mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到140mL的去离子水中，然后滴加0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌30min后将石墨纸浸入到溶液中，随后加入280mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应36h，得到聚多巴胺包覆石墨纸；然后将得到的聚多巴胺包覆石墨纸在氩气保护下进行高温碳化，温度从室温以8℃/min的升温速率升至900℃，恒温90min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸。再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆的石墨纸浸渍入到70mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.04mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.02mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.04mol/L，水与乙醇的体积比例为1：5，200℃下反应8h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸。图4是本实施例中制备的聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸的透射电镜照片，由图中可知聚多巴胺衍生炭层厚度约20nm，且均匀包覆在石墨纸的表面，因此聚多巴胺衍生炭层可以作为一种包覆碳基底的普适性材料，该方法具有通用性。图5为本实施例中制备的功能化聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸的扫描电镜照片，由图中可知，层状镍钴氢氧化物纳米片可以均匀的生长在制备出的聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸材料上，说明聚多巴胺衍生炭层具有可进一步功能化的优势，为进一步拓展聚多巴胺衍生炭层的应用提供了可能。
实施例4
称取300mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到150mL的去离子水中，然后滴加0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌20min后将石墨纸浸入到溶液中，随后加入225mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应36h，得到聚多巴胺包覆石墨纸；然后将得到的聚多巴胺包覆石墨纸在氩气保护下进行高温碳化，温度从室温以10℃/min的升温速率升至650℃，恒温60min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸。再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸浸渍入到80mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.06mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.02mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.04mol/L，水与乙醇的体积比例为1：4，170℃下反应15h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆石墨纸。
实施例5
称取360mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到120mL的去离子水中，然后滴加0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌25min后将碳纤维纸浸入到溶液中，随后加入240mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应18h，得到聚多巴胺包覆碳纤维纸；然后将得到的聚多巴胺包覆碳纤维纸在氩气保护下进行高温碳化，温度从室温以5℃/min的升温速率升至800℃，恒温120min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳纤维纸。再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳纤维纸浸渍入到110mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.06mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.015mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.05mol/L，水与乙醇的体积比例为1：5，160℃下反应15h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳纤维纸。
实施例6
称取180mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到90mL的去离子水中，然后滴加0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌15min后将碳纤维纸浸入到溶液中，随后加入270mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应24h，得到聚多巴胺包覆碳纤维纸；然后将得到的聚多巴胺包覆碳纤维纸在氦气保护下进行高温碳化，温度从室温以12℃/min的升温速率升至700℃，恒温90min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳纤维纸。再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳纤维纸浸渍入到90mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.05mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.02mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.06mol/L，水与乙醇的体积比例为1：7，190℃下反应12h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳纤维纸。
实施例7
称取140mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到70mL的去离子水中，然后滴加0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌15min后将碳布浸入到溶液中，随后加入140mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应24h，得到聚多巴胺包覆碳布；然后将得到的聚多巴胺包覆碳布在氦气保护下进行高温碳化，温度从室温以5℃/min的升温速率升至850℃，恒温120min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳布浸渍入到72mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.03mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.01mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.04mol/L，水与乙醇的体积比例为1：5，180℃下反应12h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。取上述功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布，裁剪出固定尺寸(1*1.2cm)直接作为超级电容器的电极片，以6mol/L氢氧化钾水溶液作为电解液，以铂片作为对电极，Hg/HgO作为参比电极进行电化学性能测试，图6为该电极材料的质量比电容对电流密度图，结果显示，该电极材料在1A/g的放电电流密度下的质量比电容为1802F/g,，在100A/g的放电电流密度下的质量比电容为1007F/g。
实施例8
称取180mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到100mL的去离子水中，然后滴加0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌20min后将碳布浸入到溶液中，随后加入220mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应16h，得到聚多巴胺包覆碳布，然后将得到的聚多巴胺包覆碳布在氮气保护下进行高温碳化，温度从室温10℃/min的升温速率升至700℃，恒温90min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳布浸渍入到100mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.04mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.02mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.05mol/L，水与乙醇的体积比例为1：4，160℃下反应16h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。取上述功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布，裁剪出固定尺寸(1*1.2cm)直接作为超级电容器的电极片，以6mol/L氢氧化钾水溶液作为电解液，以铂片作为对电极，Hg/HgO作为参比电极进行电化学性能测试，结果显示，该电极材料在1A/g的放电电流密度下的质量比电容为1400F/g,，在100A/g的放电电流密度下的质量比电容为590F/g。
实施例9
称取350mg的三羟甲基氨基甲烷，加入到120mL的去离子水中，然后滴加0.1mol/L的稀盐酸调节pH值为8.5，搅拌20min后将碳布浸入到溶液中，随后加入280mg的多巴胺盐酸盐，室温条件下反应12h，得到聚多巴胺包覆碳布，然后将得到的聚多巴胺包覆碳布在氮气保护下进行高温碳化，温度从室温以8℃/min的升温速率升至650℃，恒温30min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。再将得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳布浸渍入到60mL的双金属盐溶液中，其中六水合硝酸镍的浓度为0.04mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.01mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.05mol/L，水与乙醇的体积比为1：6，200℃下反应8h，便可得到功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布。取上述功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳布，裁剪出固定尺寸(1*1.2cm)直接作为超级电容器的电极片，以6mol/L氢氧化钾水溶液作为电解液，以铂片作为对电极，Hg/HgO作为参比电极进行电化学性能测试，结果显示，该电极材料在1A/g的放电电流密度下的质量比电容为1520F/g,，在100A/g的放电电流密度下的质量比电容为740F/g。
Claims (2)
1.一种功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、将浓度为0.5～5.0mg/mL的三羟甲基氨基甲烷加入到体积为50～150mL的去离子水中，然后加入浓度为0.1mol/L的稀盐酸，搅拌10～40min调节pH值至8.0～9.0，再将碳基底浸入到三羟甲基氨基甲烷的水溶液中，随后再加入浓度为1～5mg/mL的多巴胺盐酸盐，室温下反应6～48h，得到聚多巴胺包覆碳基底，所述碳基底选自碳布、碳纤维纸或石墨纸中的一种；
步骤2、将步骤1、得到的聚多巴胺包覆碳基底在惰性气体保护下进行高温碳化，温度从室温以1～15℃/min的升温速率升至600～900℃，恒温20～130min，冷却至室温，得到聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底，所述惰性气体选自氩气、氮气或氦气中的一种；
步骤3、将步骤2得到的聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底加入到30～120mL的双金属盐溶液中，在120～220℃下反应2～24h，得到目标材料功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底；所述双金属盐溶液选自六水合硝酸镍，六水合硝酸钴及十六烷基三甲基溴化铵与水、乙醇的混合溶液；所述六水合硝酸镍的浓度为0.01～0.5mol/L，六水合硝酸钴的浓度为0.005～0.2mol/L，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.01～1mol/L，水与乙醇的体积比为1：2～10。
2.根据权利要求1所述制备方法制得功能化聚多巴胺衍生炭层包覆碳基底在超级电容器电极片中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170118 |