CN107248452B - 一种超快氢离子复合电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超快氢离子复合电极材料及其制备方法。本发明基于苝四羧酸酐基氨基酸具有超快氢离子质子化/去质子化的电化学现象，还原氧化石墨具有较大表面积及电导率，将两者基于π‑π相互作用聚集在一起，苝四羧酸酐基氨基酸负载在还原氧化石墨上。步骤为：将苝四羧酸酐基氨基酸与氧化石墨悬浮液在高温下混合匀速搅拌；将还原剂加入上述溶液中反应得到复合材料，离心、洗涤、干燥后得到产品。本发明制备工艺简单、快速，复合电极材料具有超快氢离子质子化/去质子化优异的电化学性能，可以作超级电容器的电极材料，同时为多芳香环羧基化合物与碳材料的复合物在超级电容器电极材料研究方面提供理论基础。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，特别涉及一种基于苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨超快氢离子复合电极材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着全球经济的飞速发展，化石燃料不断减少以及环境污染严重等问题日益加剧，研究一种新型环保、低成本、高效率的能源转换系统已迫在眉睫。超级电容器由于具有功率密度高，循环寿命长，环境友好等优点而引起了人们的广泛关注，并成功应用于消费类电子产品及能源交通等领域，具有广阔的应用前景。
根据电能的储存与转化机制，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的，目前双电层电容器的电极材料主要为碳材料，但由于其电容量较低而限制了应用发展。赝电容在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应而产生的，赝电容器电极材料主要为过渡金属基材料，但由于金属基材料的导电性及稳定性差等缺点而应用受限，因此开发新型超级电容器电极材料的相关研究成为一个关键问题。本文研究了基于质子化/去质子化的苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨复合电极材料，为超级电容器电极材料的发展提供了一个新的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于公开一种作为超级电容器电极材料的超快氢离子复合材料及其制备方法。基于苝四羧酸酐基氨基酸具有超快氢离子质子化/去质子化的电化学现象，还原氧化石墨具有较大表面积及电导率，两者可通过π-π相互作用而聚集，充分发挥两者的优点而表现出良好的电化学性能。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种超快氢离子复合电极材料包括苝四羧酸酐基氨基酸和还原氧化石墨，基于苝四羧酸酐基氨基酸具有超快氢离子质子化/去质子化的电化学现象，还原氧化石墨具有较大表面积及良好的电导率，以还原氧化石墨作为基底，二者通过π-π相互作用聚集，苝四羧酸酐基氨基酸负载在还原氧化石墨上，形成具有优异的电化学性能苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨超快氢离子复合电极材料。所述苝四羧酸酐基氨基酸与氧化石墨的质量比为0.2～0.8：0.05～0.2。
上述超快氢离子复合电极材料的制备方法，该制备方法利用苝四羧酸酐基氨基酸具有超快氢离子质子化/去质子化的电化学现象，还原氧化石墨具有较大表面积及电导率，两者通过π-π相互作用聚集在一起形成具有优异的电化学性能苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨超快氢离子复合电极材料。包括以下步骤：
第一步，将苝四羧酸酐基氨基酸与氧化石墨悬浮液放入圆底烧瓶中，在70～100℃、搅拌均匀条件下，反应3～7小时得到含有苝四羧酸酐基氨基酸/氧化石墨复合物的混合溶液。
所述苝四羧酸酐基氨基酸是苝四羧酸酐基谷氨酸、苝四羧酸酐基甘氨酸、苝四羧酸酐基天冬氨酸中的一种。
所述氧化石墨悬浮液质量浓度为1～4毫克/毫升。
所述苝四羧酸酐基氨基酸与氧化石墨的质量比为0.2～0.8：0.05～0.2。
第二步，在第一步得到的混合溶液中加入用于还原氧化石墨的还原剂，在80～100℃条件下反应0.5～4小时后，离心、洗涤、干燥，得到苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨的超快氢离子复合电极材料。
所述的还原剂是氨水、水合肼、硼氢化钠溶液中的一种或多种。
所述还原剂的质量分数为5～25％，还原剂与氧化石墨的质量比为0.1～0.4:0.05～0.2。
与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1)本发明充分利用苝四羧酸酐基氨基酸具有超快氢离子质子化/去质子化的电化学现象以及还原氧化石墨具有较大表面积及电导率等优点，从而获得更好地电化学性能，可以作超级电容器的电极材料，同时为多芳香环羧基化合物与碳材料的复合物在超级电容器电极材料研究方面提供了理论基础。
2)本发明利用简单混合加热方法制备苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨复合材料，制备过程简单，能量消耗较少且易于推广；均匀的搅拌有利于苝四羧酸酐基氨基酸与还原氧化石墨更好地提供π-π相互作用聚集在一起，使苝四羧酸酐基氨基酸的羧基充分暴露在边缘进行超快氢离子传递转移。
3)本发明得到的苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨复合物是一种应用于超级电容器电极材料的新型复合电极材料，这种基于质子化/去质子化超快氢离子传递原理的电极材料的合成为新型电极材料的研究提供了一定技术依据。
附图说明
图1为苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨复合材料的循环伏安特性曲线图；
图2为苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨复合材料的紫外-可见光谱图；
图3为苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨复合材料的拉曼谱图；
图4为苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨复合材料的恒流充放电曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，以下所有实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种超快氢离子复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A.将0.5克苝四羧酸酐基谷氨酸与50毫升浓度为2毫克/毫升氧化石墨悬浮液放入100毫升圆底烧瓶中并以一定速度搅拌形成均匀混合溶液，在95℃下反应4小时，得到苝四羧酸酐基谷氨酸/氧化石墨复合物。
B.在步骤A所得混合溶液中加入0.7毫升氨水和1.0毫升水合肼用于还原氧化石墨，氨水的质量分数为15％，水合肼的质量分数为25％，在95℃下反应1小时，反应结束后，将产物冷却到室温，分别用去离子水和无水乙醇进行离心洗涤4次，经干燥后，即可制的苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨超快氢离子复合材料。
本实施例得到的超级电容器电极材料苝四羧酸酐基谷氨酸/还原氧化石墨超快氢离子复合材料循环伏安特性测试图如图1所示，由图可以看出两个明显的质子化/去质子化的峰位，可说明苝四羧酸酐基谷氨酸/还原氧化石墨复合物存在着超快氢离子传递现象。
本实施例得到的超级电容器电极材料苝四羧酸酐基谷氨酸/还原氧化石墨超快氢离子复合材料紫外-可见光谱图如图2所示，拉曼谱图如图3所示，由图2可以看出：与苝四羧酸酐基谷氨酸相比，苝四羧酸酐基谷氨酸/还原氧化石墨复合材料的峰位发生红移；由图3可以看出：苝四羧酸酐基谷氨酸/还原氧化石墨复合材料的峰强度明显比苝四羧酸酐基谷氨酸大，两者共同说明苝四羧酸酐基谷氨酸与还原氧化石墨发生π-π相互作用而聚集。
本实施例得到的超级电容器电极材料苝四羧酸酐基谷氨酸/还原氧化石墨超快氢离子复合材料恒流充放电曲线图如图4所示，在1A/g的电流密度下容量为127F/g。本发明为新型超级电容器电极材料的研究提供了一定的理论基础。
实施例2
一种超快氢离子复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A.将0.5克苝四羧酸酐基天冬氨酸与40毫升浓度为3毫克/毫升氧化石墨悬浮液放入100毫升圆底烧瓶中并以一定速度搅拌形成均匀混合溶液，在80℃下反应3小时，得到苝四羧酸酐基天冬氨酸/氧化石墨复合物。
B.在步骤A所得混合溶液中加入0.5毫升氨水和1.2毫升水合肼用于还原氧化石墨，氨水的质量分数为10％，水合肼的质量分数为20％，在90℃下反应2小时，反应结束后，将产物冷却到室温，分别用去离子水和无水乙醇进行离心洗涤4次，经干燥后，即可制的苝四羧酸酐基天冬氨酸/还原氧化石墨超快氢离子复合材料。
实施例3
一种超快氢离子复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A.将0.5克苝四羧酸酐基甘氨酸与40毫升浓度为3.5毫克/毫升氧化石墨悬浮液放入100毫升圆底烧瓶中并以一定速度搅拌形成均匀混合溶液，在90℃下反应5小时，得到苝四羧酸酐基甘氨酸/氧化石墨复合物。
B.在步骤A所得混合溶液中加入1.0毫升氨水和0.8毫升水合肼用于还原氧化石墨，氨水的质量分数为25％，水合肼的质量分数为15％，在85℃下反应3小时，反应结束后，将产物冷却到室温，分别用去离子水和无水乙醇进行离心洗涤4次，经干燥后，即可制的苝四羧酸酐基甘氨酸/还原氧化石墨超快氢离子复合材料。
Claims (9)
1.一种超快氢离子复合电极材料，其特征在于，所述的超快氢离子复合电极材料包括苝四羧酸酐基氨基酸和还原氧化石墨，以还原氧化石墨作为基底，二者通过π-π相互作用聚集，苝四羧酸酐基氨基酸负载在还原氧化石墨上；所述苝四羧酸酐基氨基酸与氧化石墨的质量比为0.2～0.8：0.05～0.2。
2.上述权利要求1所述的超快氢离子复合电极材料的制备方法，其特征在于以下步骤：
第一步，将苝四羧酸酐基氨基酸与氧化石墨悬浮液放入容器中，在70～100℃、搅拌均匀条件下，反应3～7小时得到含有苝四羧酸酐基氨基酸/氧化石墨复合物的混合溶液；所述苝四羧酸酐基氨基酸与氧化石墨的质量比为0.2～0.8：0.05～0.2；
第二步，在第一步得到的混合溶液中加入用于还原氧化石墨的还原剂，在80～100℃条件下反应0.5～4小时后，离心、洗涤、干燥，得到苝四羧酸酐基氨基酸/还原氧化石墨的超快氢离子复合电极材料；所述还原剂与氧化石墨的质量比为0.1～0.4:0.05～0.2。
3.根据权利要求2所述的超快氢离子复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述的苝四羧酸酐基氨基酸是苝四羧酸酐基谷氨酸、苝四羧酸酐基甘氨酸、苝四羧酸酐基天冬氨酸中的一种。
4.根据权利要求2或3所述的超快氢离子复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨悬浮液质量浓度为1～4毫克/毫升。
5.根据权利要求2或3所述的超快氢离子复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述的还原剂是氨水、水合肼、硼氢化钠溶液中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的超快氢离子复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述的还原剂是氨水、水合肼、硼氢化钠溶液中的一种或多种。
7.根据权利要求2或3或6所述的超快氢离子复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述还原剂的质量分数为5～25％。
8.根据权利要求4所述的超快氢离子复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述还原剂的质量分数为5～25％。
9.根据权利要求5所述的超快氢离子复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述还原剂的质量分数为5～25％。
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