本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，特別涉及一種基于苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，化石燃料不斷減少以及環(huán)境污染嚴重等問題日益加劇，研究一種新型環(huán)保、低成本、高效率的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已迫在眉睫。超級電容器由于具有功率密度高，循環(huán)壽命長，環(huán)境友好等優(yōu)點而引起了人們的廣泛關(guān)注，并成功應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品及能源交通等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)電能的儲存與轉(zhuǎn)化機制，超級電容器可分為雙電層電容器和贗電容器。雙電層電容是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產(chǎn)生的，目前雙電層電容器的電極材料主要為碳材料，但由于其電容量較低而限制了應(yīng)用發(fā)展。贗電容在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質(zhì)發(fā)生高度可逆的化學吸脫附和氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的，贗電容器電極材料主要為過渡金屬基材料，但由于金屬基材料的導電性及穩(wěn)定性差等缺點而應(yīng)用受限，因此開發(fā)新型超級電容器電極材料的相關(guān)研究成為一個關(guān)鍵問題。本文研究了基于質(zhì)子化/去質(zhì)子化的苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨復(fù)合電極材料，為超級電容器電極材料的發(fā)展提供了一個新的研究方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于公開一種作為超級電容器電極材料的超快氫離子復(fù)合材料及其制備方法?；谄p四羧酸酐基氨基酸具有超快氫離子質(zhì)子化/去質(zhì)子化的電化學現(xiàn)象，還原氧化石墨具有較大表面積及電導率，兩者可通過π-π相互作用而聚集，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點而表現(xiàn)出良好的電化學性能。

為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種超快氫離子復(fù)合電極材料包括苝四羧酸酐基氨基酸和還原氧化石墨，基于苝四羧酸酐基氨基酸具有超快氫離子質(zhì)子化/去質(zhì)子化的電化學現(xiàn)象，還原氧化石墨具有較大表面積及良好的電導率，以還原氧化石墨作為基底，二者通過π-π相互作用聚集，苝四羧酸酐基氨基酸負載在還原氧化石墨上，形成具有優(yōu)異的電化學性能苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合電極材料。所述苝四羧酸酐基氨基酸與氧化石墨的質(zhì)量比為0.2～0.8：0.05～0.2。

上述超快氫離子復(fù)合電極材料的制備方法，該制備方法利用苝四羧酸酐基氨基酸具有超快氫離子質(zhì)子化/去質(zhì)子化的電化學現(xiàn)象，還原氧化石墨具有較大表面積及電導率，兩者通過π-π相互作用聚集在一起形成具有優(yōu)異的電化學性能苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合電極材料。包括以下步驟：

第一步，將苝四羧酸酐基氨基酸與氧化石墨懸浮液放入圓底燒瓶中，在70～100℃、攪拌均勻條件下，反應(yīng)3～7小時得到含有苝四羧酸酐基氨基酸/氧化石墨復(fù)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種。

所述氧化石墨懸浮液質(zhì)量濃度為1～4毫克/毫升。

所述苝四羧酸酐基氨基酸與氧化石墨的質(zhì)量比為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還原氧化石墨的還原劑，在80～100℃條件下反應(yīng)0.5～4小時后，離心、洗滌、干燥，得到苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨的超快氫離子復(fù)合電極材料。

所述的還原劑是氨水、水合肼、硼氫化鈉溶液中的一種或多種。

所述還原劑的質(zhì)量分數(shù)為5～25％，還原劑與氧化石墨的質(zhì)量比為0.1～0.4:0.05～0.2。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:

1)本發(fā)明充分利用苝四羧酸酐基氨基酸具有超快氫離子質(zhì)子化/去質(zhì)子化的電化學現(xiàn)象以及還原氧化石墨具有較大表面積及電導率等優(yōu)點，從而獲得更好地電化學性能，可以作超級電容器的電極材料，同時為多芳香環(huán)羧基化合物與碳材料的復(fù)合物在超級電容器電極材料研究方面提供了理論基礎(chǔ)。

2)本發(fā)明利用簡單混合加熱方法制備苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨復(fù)合材料，制備過程簡單，能量消耗較少且易于推廣；均勻的攪拌有利于苝四羧酸酐基氨基酸與還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邊緣進行超快氫離子傳遞轉(zhuǎn)移。

3)本發(fā)明得到的苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨復(fù)合物是一種應(yīng)用于超級電容器電極材料的新型復(fù)合電極材料，這種基于質(zhì)子化/去質(zhì)子化超快氫離子傳遞原理的電極材料的合成為新型電極材料的研究提供了一定技術(shù)依據(jù)。

附圖說明

圖1為苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨復(fù)合材料的循環(huán)伏安特性曲線圖；

圖2為苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨復(fù)合材料的紫外-可見光譜圖；

圖3為苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨復(fù)合材料的拉曼譜圖；

圖4為苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨復(fù)合材料的恒流充放電曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，以下所有實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

實施例1

一種超快氫離子復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

a.將0.5克苝四羧酸酐基谷氨酸與50毫升濃度為2毫克/毫升氧化石墨懸浮液放入100毫升圓底燒瓶中并以一定速度攪拌形成均勻混合溶液，在95℃下反應(yīng)4小時，得到苝四羧酸酐基谷氨酸/氧化石墨復(fù)合物。

b.在步驟a所得混合溶液中加入0.7毫升氨水和1.0毫升水合肼用于還原氧化石墨，氨水的質(zhì)量分數(shù)為15％，水合肼的質(zhì)量分數(shù)為25％，在95℃下反應(yīng)1小時，反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物冷卻到室溫，分別用去離子水和無水乙醇進行離心洗滌4次，經(jīng)干燥后，即可制的苝四羧酸酐基氨基酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合材料。

本實施例得到的超級電容器電極材料苝四羧酸酐基谷氨酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合材料循環(huán)伏安特性測試圖如圖1所示，由圖可以看出兩個明顯的質(zhì)子化/去質(zhì)子化的峰位，可說明苝四羧酸酐基谷氨酸/還原氧化石墨復(fù)合物存在著超快氫離子傳遞現(xiàn)象。

本實施例得到的超級電容器電極材料苝四羧酸酐基谷氨酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合材料紫外-可見光譜圖如圖2所示，拉曼譜圖如圖3所示，由圖2可以看出：與苝四羧酸酐基谷氨酸相比，苝四羧酸酐基谷氨酸/還原氧化石墨復(fù)合材料的峰位發(fā)生紅移；由圖3可以看出：苝四羧酸酐基谷氨酸/還原氧化石墨復(fù)合材料的峰強度明顯比苝四羧酸酐基谷氨酸大，兩者共同說明苝四羧酸酐基谷氨酸與還原氧化石墨發(fā)生π-π相互作用而聚集。

本實施例得到的超級電容器電極材料苝四羧酸酐基谷氨酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合材料恒流充放電曲線圖如圖4所示，在1a/g的電流密度下容量為127f/g。本發(fā)明為新型超級電容器電極材料的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

實施例2

一種超快氫離子復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

a.將0.5克苝四羧酸酐基天冬氨酸與40毫升濃度為3毫克/毫升氧化石墨懸浮液放入100毫升圓底燒瓶中并以一定速度攪拌形成均勻混合溶液，在80℃下反應(yīng)3小時，得到苝四羧酸酐基天冬氨酸/氧化石墨復(fù)合物。

b.在步驟a所得混合溶液中加入0.5毫升氨水和1.2毫升水合肼用于還原氧化石墨，氨水的質(zhì)量分數(shù)為10％，水合肼的質(zhì)量分數(shù)為20％，在90℃下反應(yīng)2小時，反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物冷卻到室溫，分別用去離子水和無水乙醇進行離心洗滌4次，經(jīng)干燥后，即可制的苝四羧酸酐基天冬氨酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合材料。

實施例3

一種超快氫離子復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

a.將0.5克苝四羧酸酐基甘氨酸與40毫升濃度為3.5毫克/毫升氧化石墨懸浮液放入100毫升圓底燒瓶中并以一定速度攪拌形成均勻混合溶液，在90℃下反應(yīng)5小時，得到苝四羧酸酐基甘氨酸/氧化石墨復(fù)合物。

b.在步驟a所得混合溶液中加入1.0毫升氨水和0.8毫升水合肼用于還原氧化石墨，氨水的質(zhì)量分數(shù)為25％，水合肼的質(zhì)量分數(shù)為15％，在85℃下反應(yīng)3小時，反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物冷卻到室溫，分別用去離子水和無水乙醇進行離心洗滌4次，經(jīng)干燥后，即可制的苝四羧酸酐基甘氨酸/還原氧化石墨超快氫離子復(fù)合材料。