本發(fā)明涉及一種超級電容器的電極材料，具體涉及一種改性碳纖維摻雜的石墨烯基氣凝膠電極材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
MnO2由于儲量豐富、價格低廉、環(huán)境友好、以及在很寬的工作窗口下表現(xiàn)出良好的電容性質(zhì)使其成為超級電容器領(lǐng)域中非常理想的電極材料之一。然而，目前 MnO2材料實際所能達(dá)到的電容值僅僅只有理論電容值的 30％甚至更低，為了進(jìn)一步提高 MnO2電極材料的性能，對 MnO2材料的電荷存儲機(jī)理的研究是非常必要的。三維石墨烯基氣凝膠是近年來開發(fā)的一種具有微米結(jié)構(gòu)的新型自組裝三維多孔碳材料，由于其獨特的結(jié)構(gòu)，因而具有特殊性質(zhì)：1）超高的表面積；2）超高的電導(dǎo)率（空間上石墨烯相互連接）。這兩個特性是儲能電極材料所追求的關(guān)鍵性質(zhì)，被認(rèn)為是超級電容器的理想電極材料之一，然而，目前對石墨烯基氣凝膠材料的微觀結(jié)構(gòu)的可控合成仍然面臨著科學(xué)以及技術(shù)上的挑戰(zhàn)，正如其他的高分子或無機(jī)材料那樣，石墨烯基材料的性能主要是由石墨烯片層的堆積方式?jīng)Q定的。另外，已有的研究表明，對于 MnO2材料，由于其晶格結(jié)構(gòu)致密，不利于電解液的侵潤，造成其實際比電容較低，同時 MnO2材料的電導(dǎo)率也較低,循環(huán)性能較差。為了提高 MnO2和石墨烯基材料的電化學(xué)性能，石墨烯基氣凝膠可以作為非常好的基底材料與 MnO2進(jìn)行復(fù)合。
季辰辰在其碩士學(xué)位論文《MnO2與石墨烯基氣凝膠的制備、改性與電化學(xué)電容性能的研究》中，制備了一種MnO2包覆的石墨烯基氣凝膠材料，但是還存在著氣凝膠與MnO2結(jié)合不夠緊密，其活化性不佳等問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
基于以上思考，本發(fā)明旨在提供一種石墨烯基氣凝膠電極材料，已解決存在的氣凝膠與MnO2結(jié)合不夠緊密，其活化性不佳等問題。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：
一種改性碳纖維摻雜的石墨烯基氣凝膠電極材料，其特征在于，是由以下重量份的原料制成：
碳纖維3-6，氧化石墨烯10-20，葡萄糖10-20，二甲基甲酰胺10-20，ZnCl2溶液20-30，異佛爾酮二異氰酸酯5-10，KMnO4 30-40，乙醇80-100，氯仿適量，硅烷偶聯(lián)劑KH560 3-5，吡咯20-30，對甲苯磺酸35-45，過硫酸銨溶液35-40，蒸餾水500-1000；
所述ZnCl2溶液濃度為2-5 mol/L，過硫酸銨溶液濃度為3-6 mol/L。
所述的一種改性碳纖維摻雜的石墨烯基氣凝膠電極材料的制備方法，其特征在于，是由以下步驟制成：
a. 將氧化石墨烯超聲分散于100-150份蒸餾水中，得到分散液；將葡萄糖溶于100-150份蒸餾水中，加入到上述分散液中，超聲處理5-20min，得到均一懸浮液；然后將上述懸濁液加入到水熱釜中，于160-200℃下保溫30-40h，冷卻至室溫后，經(jīng)冷凍干燥，得到葡萄糖/石墨烯氣凝膠；
b. 將步驟a所得氣凝膠浸漬于ZnCl2溶液中，在70-120℃烘箱中放置8-15h，之后轉(zhuǎn)移到管式爐中，氬氣氣氛、700-900℃下活化1-2h，結(jié)束后冷卻至室溫；之后將其超聲分散于100-200份蒸餾水中，加入KMnO4，磁力攪拌10-30min后，于60-70℃下，回流磁力攪拌10-30min，過濾、洗滌、干燥，得到MnO2包覆石墨烯基氣凝膠材料；
c. 將碳纖維加入到二甲基甲酰胺中， 磁力攪拌均勻后加入異佛爾酮二異氰酸酯，室溫密閉反應(yīng)18-25h后抽濾，用氯仿洗滌多余的異佛爾酮二異氰酸酯2-4次，自然干燥后研磨，得到異氰酸酯改性碳纖維；
d. 將步驟b所得產(chǎn)物、步驟c所得改性碳纖維分散在乙醇中，加入硅烷偶聯(lián)劑KH560、吡咯、對甲苯磺酸，在真空中攪拌40-70min后，逐滴加入過硫酸銨溶液，冰浴攪拌8-15h；過濾、洗滌、干燥后得到復(fù)合電極材料。
所述的一種改性碳纖維摻雜的石墨烯基氣凝膠電極材料的制備方法，其特征在于，步驟b中干燥條件為：在 60-70℃下干燥 10-15h。
本發(fā)明的有益效果是：葡萄糖分子鏈上的官能團(tuán)和氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)通過氫鍵的相互作用，交聯(lián)在一起，形成了3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而水分子則填充至網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的間隙，經(jīng)冷凍干燥，水分子被除去，從而得到多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠；用ZnCl2對氣凝膠進(jìn)行活化后，有利于二氧化錳在其表面附著，同時附著二氧化錳能夠?qū)㈦p電層電容與法拉第電容結(jié)合，既可提高超級電容器的比電容，又可改善 二氧化錳的導(dǎo)電性和與電解液的浸漬能力，提高其循環(huán)性能；用聚吡咯對其進(jìn)行進(jìn)一步的包裹，不僅可以加強(qiáng)二氧化錳和氣凝膠的結(jié)合，又可以使材料表現(xiàn)出更好的電學(xué)性能；配合添加了改性碳纖維，增強(qiáng)其導(dǎo)電性。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步描述。
實施例
一種改性碳纖維摻雜的石墨烯基氣凝膠電極材料，其特征在于，是由以下重量份的原料制成：
碳纖維6，氧化石墨烯20，葡萄糖20，二甲基甲酰胺20，ZnCl2溶液30，異佛爾酮二異氰酸酯10，KMnO4 40，乙醇100，氯仿適量，硅烷偶聯(lián)劑KH560 5，吡咯30，對甲苯磺酸45，過硫酸銨溶液40，蒸餾水1000；
所述ZnCl2溶液濃度為2-5 mol/L，過硫酸銨溶液濃度為3-6 mol/L。
所述的一種改性碳纖維摻雜的石墨烯基氣凝膠電極材料的制備方法，其特征在于，是由以下步驟制成：
a. 將氧化石墨烯超聲分散于100-150份蒸餾水中，得到分散液；將葡萄糖溶于100-150份蒸餾水中，加入到上述分散液中，超聲處理5-20min，得到均一懸浮液；然后將上述懸濁液加入到水熱釜中，于160-200℃下保溫30-40h，冷卻至室溫后，經(jīng)冷凍干燥，得到葡萄糖/石墨烯氣凝膠；
b. 將步驟a所得氣凝膠浸漬于ZnCl2溶液中，在70-120℃烘箱中放置8-15h，之后轉(zhuǎn)移到管式爐中，氬氣氣氛、700-900℃下活化1-2h，結(jié)束后冷卻至室溫；之后將其超聲分散于100-200份蒸餾水中，加入KMnO4，磁力攪拌10-30min后，于60-70℃下，回流磁力攪拌10-30min，過濾、洗滌、干燥，得到MnO2包覆石墨烯基氣凝膠材料；
c. 將碳纖維加入到二甲基甲酰胺中， 磁力攪拌均勻后加入異佛爾酮二異氰酸酯，室溫密閉反應(yīng)18-25h后抽濾，用氯仿洗滌多余的異佛爾酮二異氰酸酯2-4次，自然干燥后研磨，得到異氰酸酯改性碳纖維；
d. 將步驟b所得產(chǎn)物、步驟c所得改性碳纖維分散在乙醇中，加入硅烷偶聯(lián)劑KH560、吡咯、對甲苯磺酸，在真空中攪拌40-70min后，逐滴加入過硫酸銨溶液，冰浴攪拌8-15h；過濾、洗滌、干燥后得到復(fù)合電極材料。
所述的一種改性碳纖維摻雜的石墨烯基氣凝膠電極材料的制備方法，其特征在于，步驟b中干燥條件為：在 60-70℃下干燥 10-15h。
本發(fā)明的產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)為：經(jīng)過 1000 圈的循環(huán)，電極容量仍≥99%的初始容量。