电化学沉积法制备柔性泡沫碳基复合电极材料的方法
阅读说明：本技术 电化学沉积法制备柔性泡沫碳基复合电极材料的方法 (Method for preparing flexible foam carbon-based composite electrode material by electrochemical deposition method ) 是由 贺馨平 施梦雅 张文魁 黄辉 甘永平 夏阳 张俊 梁初 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电化学沉积法制备柔性泡沫碳基复合电极材料的方法,包括步骤1：制备泡沫碳；步骤2：将苯胺溶液和硫酸溶液混合后超声,得到混合液；步骤3：采用电化学沉积法制备得到沉积有导电聚苯胺层的泡沫碳；步骤4：取出沉积有导电聚苯胺层的泡沫碳,冲洗,烘干,得到柔性泡沫碳基导电聚苯胺电极材料；电化学沉积法可以在各种形状的材料上进行均匀包覆,实现了导电聚苯胺与泡沫碳的有效复合,贴合度好,而且反应温度要求较低,操作步骤简便,成本低廉,对环境友好。(The invention discloses a method for preparing a flexible foam carbon-based composite electrode material by an electrochemical deposition method, which comprises the following steps of 1: preparing foam carbon; step 2: mixing an aniline solution and a sulfuric acid solution, and then carrying out ultrasonic treatment to obtain a mixed solution; and step 3: preparing the foamy carbon deposited with the conductive polyaniline layer by adopting an electrochemical deposition method; and 4, step 4: taking out the carbon foam deposited with the conductive polyaniline layer, washing and drying to obtain a flexible carbon foam-based conductive polyaniline electrode material; the electrochemical deposition method can be used for uniformly coating materials with various shapes, so that the conductive polyaniline and the foam carbon are effectively compounded, the bonding degree is good, the reaction temperature requirement is low, the operation steps are simple and convenient, the cost is low, and the method is environment-friendly.)
技术领域
本发明属于柔性超级电容器电极材料制备领域，具体来说涉及一种电化学沉积法制备柔性泡沫碳基复合电极材料的方法。
背景技术
随着科技的快速发展，传统的超级电容器将无法满足人们的日常需求，于是可折叠，可穿戴，便携式柔性储能器件应运而生。柔性超级电容器具备了质量较轻，体积较小，稳定性较强等特点。由于它的机械柔性优势，使柔性超级电容器可以应用在医用设备，电子器件等各个领域。因此柔性超级电容器受到越来越多科学研究者的关注和重视，它的市场价值较高，应用前景广阔。
然而，目前柔性超级电容器的研究还未能实现产业化发展，仍处于实验室研究阶段。主要存在以下三方面缺陷：一方面，能量密度的不足限制了柔性超级电容器的发展。超级电容器根据储能原理的不同可以分为双电层电容和赝电容两类。 双电层电容器的充放电速率快，并且功率密度也较高，但是它的不足之处在于能量密度低。与之对应的，赝电容材料的特性则相反。其中常用的双电层超级电容器电极材料主要为碳材料（如碳纳米管、介孔炭等）；而常用的赝电容超级电容器电极材料主要为导电聚合物(如聚吡咯、聚苯胺等)和过渡金属氧化物或者氢氧化物（如Co(OH)2、MnO2等）。第二方面，传统的柔性电子器件大多呈现块状或板状样，这种器件与基底的贴合度差，柔性低。第三方面，制备柔性超级电容操作步骤繁琐、对环境的要求高并且还会出现污染物。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种电化学沉积法制备得到的柔性泡沫碳基复合电极材料，以解决背景技术中现有的柔性电子器件能量密度低，与基底的贴合度差、且柔性低的问题。
本发明的目的之二在于提供一种电化学沉积法制备柔性泡沫碳基复合电极材料的方法，以解决背景技术中现有的柔性超级电容制备步骤繁杂、环境要求高、污染环境的问题。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种电化学沉积法制备柔性泡沫碳基复合电极材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：制备泡沫碳；
步骤2：将苯胺溶液和硫酸溶液混合后超声，得到混合液；
步骤3：采用电化学沉积法制备得到沉积有导电聚苯胺层的泡沫碳；
步骤4：取出沉积有导电聚苯胺层的泡沫碳，冲洗，烘干，得到柔性泡沫碳基导电聚苯胺电极材料。
优选地，所述步骤1中，以三聚氰胺泡沫为基底、以掺杂物为碳纳米管，采用煅烧方式制备得到泡沫碳。
优选地，所述煅烧方式为以N2作为煅烧氛围，将煅烧炉以5 ℃/min的升温速率升温至750 ℃，保温至少3 h。
优选地，所述步骤3中，采用三相电极体系，以步骤1所得的泡沫碳作为工作电极，以甘汞电极作为参比电极，以铂片作为对电极；将步骤2所得的苯胺/硫酸溶液作为电解液，在室温下以恒定电压沉积一定时间，得到沉积有导电聚苯胺层的泡沫碳。
优选地，所述恒定电压为0.7-0.9 V，所述反应时间为10-30 min。
优选地，苯胺溶液的初始浓度为0.1 mol/L，硫酸溶液的初始浓度为0.5 mol/L。
优选地，苯胺溶液与硫酸溶液体积比约为1：3
优选地，所述烘干温度为80-100 ℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明引入电化学沉积法，电化学沉积法可以在各种形状的材料上进行均匀包覆，实现了导电聚苯胺与泡沫碳的有效复合，贴合度好，而且反应温度要求较低，操作步骤简便，成本低廉，对环境友好。
制备得到的柔性泡沫碳基复合电极材料在保持良好电化学稳定性同时，又具备了独特的机械柔性。
附图说明
图1是本发明通过电化学沉积法制备柔性泡沫碳基复合电极材料的示意图。
图2是本发明实施例1制备的柔性泡沫碳基复合电极材料的SEM示意图。
图3是本发明实施例1制备的柔性泡沫碳基复合电极材料在不同扫描速度下的循环伏安曲线图。
图4是本发明实施例1制备的柔性泡沫碳基复合电极材料在不同扫描速度下的放电曲线图。
图5是本发明实施例1制备的柔性泡沫碳基复合电极材料在的不同电流密度下的比电容曲线图。
图6是本发明实施例1制备的柔性泡沫碳基复合电极材料在电流密度为1 A/g扫描速度下的循环稳定性曲线图。
附图标记： 1-参比电极，2为铂片电极，3为工作电极，A为苯胺/硫酸溶液。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
步骤1：制备泡沫碳，具体为：以三聚氰胺泡沫为基底、以碳纳米管为掺杂物，依次经混合、超声、烘干后得到预处理产物，将其置于煅烧炉内，以N2作为煅烧氛围，将煅烧炉以5℃/min的升温速率升温至750℃，保温3h，得到泡沫碳。
步骤2：在100 mL容量瓶中将25 mL初始浓度为0.1 mol/L的苯胺溶液与75 mL初始浓度为0.5 mol/L的硫酸溶液混合，超声混合10分钟之后得到混合液，该混合液为澄清溶液。
本发明步骤2中，苯胺溶液和硫酸溶液混合后得到硫酸苯胺溶液，该硫酸苯胺溶液中有白色絮状物，该白色絮状物即为硫酸苯胺，由于硫酸苯胺溶于水，因此经超声后变为澄清溶液。
步骤3：采用三相电极体系，以步骤1所得的泡沫碳作为工作电极，以甘汞作为参比电极，以铂片作为对电极；将步骤2所得的苯胺/硫酸溶液作为电解液，恒定电压为0.9V，在室温下反应10min，得到沉积有导电聚苯胺层的泡沫碳，参照图1。
步骤4：反应完毕后取出包覆有导电聚苯胺层的泡沫碳，用去离子水反复冲洗3次，在烘干温度为80-100℃下烘干后得到柔性泡沫碳基复合电极材料，该柔性泡沫碳基复合电极材料为柔性泡沫碳基导电聚苯胺电极材料。
本发明中，通过电化学沉积法，使电极阳极发生苯胺的氧化反应得到聚苯胺，从而在阳极的泡沫碳表面层沉积形成包覆有导电聚苯胺层的泡沫碳，通过冲洗和烘干得到的产物为柔性泡沫碳基复合电极材料，该材料使得活性物质导电聚苯胺与泡沫碳基底充分相容。
图2是本实施例制备的柔性泡沫碳基复合电极材料的SEM示意图；从图2表明，活性物质聚苯胺均匀地包覆在了泡沫碳基底上，活性材料与柔性泡沫碳基底实现了有效相容，该复合材料的电化学性能得到提升。
图3是本实施例制备的柔性泡沫碳基复合电极材料在不同扫描速度下的循环伏安曲线图，曲线从上到下依次为0.1V/S、0.05 V/S、0.04V/S、0.03 V/S、0.02 V/S、0.01 V/S的扫描速度。由于H+在该材料中连续不断地嵌入和脱出，因此在图3中有明显的氧化还原峰出现。此外从图3循环中显示出较大的充放电电压窗口，较高的电流，这些都表明柔性泡沫碳基复合电极材料的电化学性能较好。
图4是本实施例制备的柔性泡沫碳基复合电极材料在不同扫描速度下的放电曲线图，图4中曲线从右往左依次为1-8A/g的扫描速度；图5-图6是本实施例制备的柔性泡沫碳基复合电极材料在不同电流密度下的比电容曲线图和在电流密度为1 A/g扫描速度下比电容的循环稳定性曲线图；当电流密度为1 A/g时，该材料的达到了约为350 F/g的初始比电容，说明该电极材料的比电容良好；并且充放电循环1000次后最终比电容约为初始比电容的70%，展现了该材料良好的循环稳定性能。
实施例二：
本实施例与实施例一的操作基本相同，仅改变步骤3中电化学沉积的反应时间为20min。
实施例三：
本实施例与实施例一的操作基本相同，仅改变步骤3中电化学沉积的反应时间为30min。
实施例四：
本实施例与实施例一的操作基本相同，仅改变步骤3中电化学沉积的恒定电压为0.8V。
实施例五：
本实施例与实施例一的操作基本相同，仅改变步骤3中电化学沉积的恒定电压为0.7V。
综上所述，本发明应用电化学沉积法制备柔性泡沫碳基复合电极材料，它的实验步骤简便易操作，无废气排出，保护环境，重复性好，具有良好的循环稳定性和比容量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。