一种导电聚苯胺纳米管的制备方法

摘要

本发明公开了一种导电聚苯胺纳米管的制备方法。将苯胺分散在含有不同比例尿素的水溶液中，在冰水浴的条件下，充分搅拌，得到均匀的混合溶液。然后逐滴加入氧化引发剂——过硫酸铵，引发苯胺聚合，在搅拌条件下反应12小时，随后用2毫升1摩尔/升的盐酸溶液对生成物进行掺杂，得到具有管状结构的导电聚苯胺纳米管。本发明制备的聚苯胺纳米管的比电容比聚苯胺的大很多，所制备的聚苯胺纳米管具有规整的管状结构及良好的电化学性能，是一种理想的超级电容器电极材料，尤其是适合工业化生产，并且，尿素成本低廉、来源广泛，聚苯胺纳米管制备工艺简单，该方法易于大规模推广。

权利要求

1.一种导电聚苯胺纳米管的制备方法，其特征在于具体步骤为：

(1)称取尿素加入到盛有30毫升去离子水的烧瓶中，室温搅拌0.5小时后，将烧瓶转置于冰水浴中，然后向烧瓶中加入0.5毫升已提纯的苯胺和2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，在冰水浴的条件下搅拌1小时，最后将过硫酸铵溶液逐滴滴加到烧瓶中，在冰水浴的条件下搅拌12小时，制得中间产物；所称取的尿素与所加入的苯胺的摩尔比为0.1~2:1，所滴加的过硫酸铵溶液中过硫酸铵与所加入的苯胺的摩尔比为1:1；

(2)用去离子水对步骤(1)制得的中间产物抽滤洗涤，直至滤液呈中性，再向滤饼中加入2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，使聚苯胺充分掺杂，最后将滤饼置入50℃的真空干燥箱中干燥24小时，研磨，即制得导电聚苯胺纳米管。

说明书

一种导电聚苯胺纳米管的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于导电纳米管制备技术领域，特别涉及一种以尿素为模板，苯胺通过自组装以及原位聚合制备出具有规整结构的导电聚苯胺纳米管的方法。

背景技术

[0002] 聚苯胺作为一种常见的导电聚合物，由于其制备简单，成本低廉，以及具有良好的环境稳定性和独特的物理和化学性质，常常被用于超级电容器、电池、传感器以及防腐领域，得到了世界各国科研工作者的大力关注。特别是具有纳米结构的导电聚苯胺，由于其粒径极小、比表面积大、极快的电子转移速率等性质，赋予了纳米导电聚苯胺材料具有传统块体所不具备的许多独特性能。

[0003] 聚苯胺纳米管由于能够为电解质离子的扩散和移动提供便捷的通道，缩短离子运输的距离，从而提高离子与电极发生氧化还原反应的效率，受到了科研工作者的关注和研究。譬如以软模板法制备导电聚苯胺纳米管（Z.J. Gu, et al, Synthesis of polyaniline nanotubes with controlled rectangular or square pore shape. Mater. Lett. 2014,121,12-14; H.J. Yin, et al, Synthesis of high-performance one-dimensional polyaniline nanostructures using dodecylbenzene sulfonic acid as soft template. Mater. Lett. 2011,65,850-853; M.M. Sk, et al, Synthesis of polyaniline nanotubes using the self-assembly behavior of vitamin C: a mechanistic study and application in electrochemical supercapacitors. J. Mater. Chem. A 2014,2,2830-2838.）以及无模板法制备导电聚苯胺纳米管（Z.Z. Huang, et al, Preparation of polyaniline nanotubes by a template-free self-assembly method. Mater. Lett. 2011,65,2015-2018.），上述各种软模板法制备的聚苯胺纳米管具有规整的管状结构且具有较好的电化学性能，但在工业化生产中存在一定的难度。无模板法制备聚苯胺具有环保、简单等优点，但是所得聚苯胺纳米管的管径大小无法可控且不规整，在一定程度上影响了聚苯胺的电化学性能。

[0004] 尿素具有良好的水溶性，且来源广泛，尤其是其分子间可形成大量的氢键，适合作为制备纳米材料的模板。以尿素作模板制备聚苯胺纳米管是一种简单且环保的制备方法，本思路目前未见文献报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种以尿素为模板，通过自组装技术以及原位聚合的方法制备出具有规整结构的导电聚苯胺纳米管的方法。

[0006] 具体步骤为：

[0007] (1)称取尿素加入到盛有30毫升去离子水的烧瓶中，室温搅拌0.5小时后，将烧瓶转置于冰水浴中，然后向烧瓶中加入0.5毫升已提纯的苯胺和2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，在冰水浴的条件下搅拌1小时，最后将过硫酸铵溶液逐滴滴加到烧瓶中，在冰水浴的条件下搅拌12小时，制得中间产物；所称取的尿素与所加入的苯胺的摩尔比为0~2:1，所滴加的过硫酸铵溶液中过硫酸铵与所加入的苯胺的摩尔比为1:1。

[0008] (2)用去离子水对步骤(1)制得的中间产物抽滤洗涤，直至滤液呈中性，再向滤饼中加入2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，使聚苯胺充分掺杂，最后将滤饼置入50℃的真空干燥箱中干燥24小时，研磨收集，即制得导电聚苯胺纳米管。

[0009] 本发明方法具有以下优点：

[0010] (1)本发明方法通过改变尿素与苯胺的摩尔比，可获得表面粗糙程度、管的内径以及长径比各不相同的聚苯胺纳米管材料。

[0011] (2)本发明制备的聚苯胺纳米管的比电容比聚苯胺的大很多，所制备的聚苯胺纳米管具有规整的管状结构及良好的电化学性能，是一种理想的超级电容器电极材料，尤其是适合工业化生产。

[0012] (3)尿素成本低廉、来源广泛，聚苯胺纳米管制备工艺简单，该方法易于大规模推广。

附图说明

[0013] 图1是本发明实施例4制备的导电聚苯胺纳米管的SEM图和TEM图，其中（a）为SEM图，（b）为TEM图。

[0014] 图2是本发明实施例1制备的导电聚苯胺纳米管与实施例6制备的导电聚苯胺在扫描速率为5mV/s时测试的循环伏安曲线；其中UREA-PANI为实施例1制备的导电聚苯胺纳米管在扫描速率为5mV/s时测试的循环伏安曲线，PANI为实施例6制备的导电聚苯胺在扫描速率为5mV/s时测试的循环伏安曲线。

具体实施方式

[0015] 实施例1：

[0016] (1)称取尿素加入到盛有30毫升去离子水的烧瓶中，室温搅拌0.5小时后，将烧瓶转置于冰水浴中，然后向烧瓶中加入0.5毫升已提纯的苯胺和2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，在冰水浴的条件下搅拌1小时，最后将过硫酸铵溶液逐滴滴加到烧瓶中，在冰水浴的条件下搅拌12小时，制得中间产物；所称取的尿素与所加入的苯胺的摩尔比为2:1，所滴加的过硫酸铵溶液中过硫酸铵与所加入的苯胺的摩尔比为1:1。

[0017] (2)用去离子水对步骤(1)制得的中间产物抽滤洗涤，直至滤液呈中性，再向滤饼中加入2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，使聚苯胺充分掺杂，最后将滤饼置入50℃的真空干燥箱中干燥24小时，研磨，即制得导电聚苯胺纳米管。

[0018] 实施例2：

[0019] (1)称取尿素加入到盛有30毫升去离子水的烧瓶中，室温搅拌0.5小时后，将烧瓶转置于冰水浴中，然后向烧瓶中加入0.5毫升已提纯的苯胺和2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，在冰水浴的条件下搅拌1小时，最后将过硫酸铵溶液逐滴滴加到烧瓶中，在冰水浴的条件下搅拌12小时，制得中间产物；所称取的尿素与所加入的苯胺的摩尔比为1:1，所滴加的过硫酸铵溶液中过硫酸铵与所加入的苯胺的摩尔比为1:1。

[0020] (2)用去离子水对步骤(1)制得的中间产物抽滤洗涤，直至滤液呈中性，再向滤饼中加入2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，使聚苯胺充分掺杂，最后将滤饼置入50℃的真空干燥箱中干燥24小时，研磨，即制得导电聚苯胺纳米管。

[0021] 实施例3：

[0022] (1)称取尿素加入到盛有30毫升去离子水的烧瓶中，室温搅拌0.5小时后，将烧瓶转置于冰水浴中，然后向烧瓶中加入0.5毫升已提纯的苯胺和2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，在冰水浴的条件下搅拌1小时，最后将过硫酸铵溶液逐滴滴加到烧瓶中，在冰水浴的条件下搅拌12小时，制得中间产物；所称取的尿素与所加入的苯胺的摩尔比为0.5:1，所滴加的过硫酸铵溶液中过硫酸铵与所加入的苯胺的摩尔比为1:1。

[0023] (2)用去离子水对步骤(1)制得的中间产物抽滤洗涤，直至滤液呈中性，再向滤饼中加入2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，使聚苯胺充分掺杂，最后将滤饼置入50℃的真空干燥箱中干燥24小时，研磨，即制得导电聚苯胺纳米管。

[0024] 实施例4：

[0025] (1)称取尿素加入到盛有30毫升去离子水的烧瓶中，室温搅拌0.5小时后，将烧瓶转置于冰水浴中，然后向烧瓶中加入0.5毫升已提纯的苯胺和2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，在冰水浴的条件下搅拌1小时，最后将过硫酸铵溶液逐滴滴加到烧瓶中，在冰水浴的条件下搅拌12小时，制得中间产物；所称取的尿素与所加入的苯胺的摩尔比为0.25:1，所滴加的过硫酸铵溶液中过硫酸铵与所加入的苯胺的摩尔比为1:1。

[0026] (2)用去离子水对步骤(1)制得的中间产物抽滤洗涤，直至滤液呈中性，再向滤饼中加入2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，使聚苯胺充分掺杂，最后将滤饼置入50℃的真空干燥箱中干燥24小时，研磨，即制得导电聚苯胺纳米管。

[0027] 实施例5：

[0028] (1)称取尿素加入到盛有30毫升去离子水的烧瓶中，室温搅拌0.5小时后，将烧瓶转置于冰水浴中，然后向烧瓶中加入0.5毫升已提纯的苯胺和2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，在冰水浴的条件下搅拌1小时，最后将过硫酸铵溶液逐滴滴加到烧瓶中，在冰水浴的条件下搅拌12小时，制得中间产物；所称取的尿素与所加入的苯胺的摩尔比为0.1:1，所滴加的过硫酸铵溶液中过硫酸铵与所加入的苯胺的摩尔比为1:1。

[0029] (2)用去离子水对步骤(1)制得的中间产物抽滤洗涤，直至滤液呈中性，再向滤饼中加入2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，使聚苯胺充分掺杂，最后将滤饼置入50℃的真空干燥箱中干燥24小时，研磨，即制得导电聚苯胺纳米管。

[0030] 实施例6：

[0031] (1)将盛有30毫升去离子水的烧瓶从室温转置于冰水浴中，然后向烧瓶中加入0.5毫升已提纯的苯胺和2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，在冰水浴的条件下搅拌1小时，最后将过硫酸铵溶液逐滴滴加到烧瓶中，在冰水浴的条件下搅拌12小时，制得中间产物；所滴加的过硫酸铵溶液中过硫酸铵与所加入的苯胺的摩尔比为1:1。

[0032] (2)用去离子水对步骤(1)制得的中间产物抽滤洗涤，直至滤液呈中性，再向滤饼中加入2毫升1摩尔/升的盐酸溶液，使聚苯胺充分掺杂，最后将滤饼置入50℃的真空干燥箱中干燥24小时，研磨，即制得导电聚苯胺纳米管。