一種細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電膜材料的制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的能源來源日益消耗殆盡，刺激人們?nèi)ふ铱商娲哪茉春陀行У哪芰抠A存裝置，而超級電容器具有高功率密度和較高的能量密度，應(yīng)用于混合電動車、電動車、便攜式電子設(shè)備等重要的領(lǐng)域，一直備受人們青睞。
[0003]當(dāng)今社會對柔性、可彎曲設(shè)備儲能需求的快速增長，人們急需研發(fā)下一代價廉、柔軟、可彎曲的超級電容器，而電極材料是最重要的組成部分。但現(xiàn)有柔性電極材料制備工藝復(fù)雜、成本高，不具備良好的穩(wěn)定性及力學(xué)性能。因此，釆用一個簡單、有效、環(huán)保、適用于規(guī)?；a(chǎn)的制備方法制備高性能的柔性電極材料尤其重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有柔性電極材料制備工藝復(fù)雜、成本高，不具備良好的穩(wěn)定性及力學(xué)性能的問題，提供一種細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料的制備方法及其應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明一種細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料的制備方法按如下步驟進(jìn)行:
[0006]—、將細(xì)菌纖維素剪切成塊后浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后置于去離子水中，攪拌使其分散均勻，再轉(zhuǎn)移到勻漿機(jī)中攪拌，得到細(xì)菌纖維素漿料；
[0007]二、將苯胺單體與濃度為lmol/L鹽酸溶液混合，得到苯胺單體的鹽酸溶液；向細(xì)菌纖維素漿料中加入苯胺單體的鹽酸溶液，攪拌使苯胺單體與細(xì)菌纖維素分散均勻，得到混合液A ；
[0008]三、將氧化劑與濃度為lmol/L的鹽酸溶液混合，得到混合液B ;將混合液B以0.5滴?60滴/s的滴加速率滴加到混合液A中，原位氧化聚合生成細(xì)菌纖維素聚苯胺復(fù)合材料溶液；
[0009]四、向酸化的碳納米管中加入表面活性劑，然后分散在去離子水中，得到碳納米管水分散液；
[0010]五、將細(xì)菌纖維素聚苯胺復(fù)合材料溶液真空抽濾成膜，然后加入碳納米管水分散液繼續(xù)抽濾成膜，再放入真空干燥箱中進(jìn)行干燥，制成細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料；其中細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料中細(xì)菌纖維素與步驟二中苯胺單體的質(zhì)量比為(0.1?6):1 ;細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料中細(xì)菌纖維素與步驟四中酸化的碳納米管的質(zhì)量比為1: (0.02?0.2);苯胺單體與氧化劑的摩爾比為(0.5 ?5)
[0011]本發(fā)明細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料的應(yīng)用是指作為電極應(yīng)用于超級電容器中。
[0012]細(xì)菌纖維素是通過微生物的發(fā)酵獲得的，其性能優(yōu)良、資源豐富、環(huán)境友好，薄膜具有超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高結(jié)晶度、高純度、高機(jī)械強(qiáng)度，作為一種新興的環(huán)境友好型材料成為國內(nèi)外材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，細(xì)菌纖維素含有大量的羥基，具有良好的親水性，與其他水溶性的高分子容易發(fā)生氫鍵結(jié)合，因而細(xì)菌纖維素作為復(fù)合材料具有天然的優(yōu)勢。
[0013]碳納米管由于具有獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性和高的比表面積，被認(rèn)為是超級電容器理想的電極材料之一，引起廣泛的關(guān)注。
[0014]導(dǎo)電聚苯胺原料易得、合成簡便、成本低廉，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和贗電容儲能特性，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ某夒娙萜麟姌O材料。
[0015]本發(fā)明的有益效果:(I)利用細(xì)菌纖維素超精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能等特性，以此為基底負(fù)載納米導(dǎo)電聚合物，可制備成超級電容器用自支撐柔性電極；(2)可規(guī)模化生產(chǎn)，制備工藝簡單、節(jié)能、反應(yīng)條件溫和、毒性小，原料廉價易得成本低、導(dǎo)電膜材料穩(wěn)定性及力學(xué)性能好；(3)直接用做超級電容器電極具有很好的電容性。
【附圖說明】
[0016]圖1為實(shí)施例1所獲得的細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料的掃描電鏡照片；
[0017]圖2為實(shí)施例1中碳納米管水分散液的照片；
[0018]圖3為實(shí)施例1所獲得的以細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料制備的工作電極在IM硫酸電解液中的不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線；其中a為2mV/s，b為5mV/s，c 為 8mV/s，d 為 1mV/s ；
[0019]圖4為實(shí)施例1所獲得的以細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料制備的工作電極在IM硫酸電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為2.5mA/cm2，b為5mA/cm2，c為9mA/cm2；
[0020]圖5為實(shí)施例2所獲得的以細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料制備的工作電極在IM硫酸電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為2mA/cm2，b為5mA/cm2，c為9mA/cm2；
[0021]圖6為實(shí)施例1?2所獲得的以細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料制備的工作電極在IM硫酸電解液中依據(jù)恒電流充放電曲線計(jì)算所得的比電容曲線，其中a為BC-PAIN-CNT-1，b 為 BC-PAIN-CNT-2。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0023]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式一種細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料的制備方法按如下步驟進(jìn)行:
[0024]—、將細(xì)菌纖維素剪切成塊后浸泡在去離子水中超聲洗滌，然后置于去離子水中，攪拌使其分散均勻，再轉(zhuǎn)移到勻漿機(jī)中攪拌，得到細(xì)菌纖維素漿料；
[0025]二、將苯胺單體與濃度為lmol/L鹽酸溶液混合，得到苯胺單體的鹽酸溶液；向細(xì)菌纖維素漿料中加入苯胺單體的鹽酸溶液，攪拌使苯胺單體與細(xì)菌纖維素分散均勻，得到混合液A ；
[0026]三、將氧化劑與濃度為lmol/L的鹽酸溶液混合，得到混合液B ;將混合液B以0.5滴?60滴/s的滴加速率滴加到混合液A中，原位氧化聚合生成細(xì)菌纖維素聚苯胺復(fù)合材料溶液；
[0027]四、向酸化的碳納米管中加入表面活性劑，然后分散在去離子水中，得到碳納米管水分散液；
[0028]五、將細(xì)菌纖維素聚苯胺復(fù)合材料溶液真空抽濾成膜，然后加入碳納米管水分散液繼續(xù)抽濾成膜，再放入真空干燥箱中進(jìn)行干燥，制成細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料；其中細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料中細(xì)菌纖維素與步驟二中苯胺單體的質(zhì)量比為(0.1?6):1 ;細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料中細(xì)菌纖維素與步驟四中酸化的碳納米管的質(zhì)量比為1: (0.02?0.2);苯胺單體與氧化劑的摩爾比為(0.5 ?5)
[0029]本實(shí)施方式中細(xì)菌纖維素為市售產(chǎn)品。
[0030]細(xì)菌纖維素是通過微生物的發(fā)酵獲得的，其性能優(yōu)良、資源豐富、環(huán)境友好，薄膜具有超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高結(jié)晶度、高純度、高機(jī)械強(qiáng)度，作為一種新興的環(huán)境友好型材料成為國內(nèi)外材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，細(xì)菌纖維素含有大量的羥基，具有良好的親水性，與其他水溶性的高分子容易發(fā)生氫鍵結(jié)合，因而細(xì)菌纖維素作為復(fù)合材料具有天然的優(yōu)勢。
[0031]碳納米管由于具有獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性和高的比表面積，被認(rèn)為是超級電容器理想的電極材料之一，引起廣泛的關(guān)注。
[0032]導(dǎo)電聚苯胺原料易得、合成簡便、成本低廉，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和贗電容儲能特性，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ某夒娙萜麟姌O材料。
[0033]本實(shí)施方式的有益效果:(I)利用細(xì)菌纖維素超精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能等特性，以此為基底負(fù)載納米導(dǎo)電聚合物，可制備成超級電容器用自支撐柔性電極；(2)可規(guī)模化生產(chǎn)，制備工藝簡單、節(jié)能、反應(yīng)條件溫和、毒性小，原料廉價易得成本低、導(dǎo)電膜材料穩(wěn)定性及力學(xué)性能好；(3)直接用做超級電容器電極具有很好的電容性。
[0034]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述的細(xì)菌纖維素為細(xì)菌纖維素邊角料。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0035]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:步驟一所述的超聲洗滌的條件為超聲時間10h，且每一小時更換去離子水。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0036]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟二和步驟三鹽酸溶液的總摩爾量與苯胺單體的摩爾比為1: (0.01?0.2)。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0037]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:步驟三所述的氧化劑為過硫酸銨。其它與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0038]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:步驟三所述的原位氧化聚合是在冰水浴中聚合，反應(yīng)時間為20h。其它與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0039]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是:步驟四所述的酸化的碳納米管與表面活性劑的質(zhì)量比為1: (0.2?3)。其它與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0040]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:步驟四所述的表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉。其它與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0041]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是:步驟四所述的酸化的碳納米管的制備方法為將碳納米管在質(zhì)量濃度為64%的硝酸中超聲處理5?24h，用去離子水洗滌，抽濾干燥。其它與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0042]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式細(xì)菌纖維素/聚苯胺/碳納米管導(dǎo)電膜材料的應(yīng)用是指作為電極應(yīng)用于超級電容器中。
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