[發明專利]一種多孔碳納米材料及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 201610855731.3
• 申請日: 2016-09-27
• 公開（公告）號: CN107871615A
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 智林杰;梁家旭;肖志昌
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/36;H01G11/86;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 鞏克棟

技術領域

本發明屬于超級電容器領域，具體涉及一種多孔碳納米材料及其制備方法和用途，特別涉及一種基于共軛微孔聚合物或共軛微孔聚合物/低維碳納米材料復合材料為前驅體制備的納米材料和使用其的超級電容器。

背景技術

超級電容器是一種高功率密度的電化學儲能器件，其電容來源于電極-電解液界面的電荷分離，因此其存儲的能量主要是基于電解液離子在高比表面積的多孔導電電極中的吸附。相比于電池，超級電容器具有更高的功率密度，更低的內阻，更寬的使用溫度范圍和更長的循環壽命。但其能量密度相比電池要低得多。因此，研究具有高比電容特性的活性物質作為超級電容器的電極材料顯得非常重要。

目前使用電容器電極材料多為粉末材料，需要粘合劑粘連在一起，用這種方法制備的電極如果厚度過大，會造成電解液通路的阻塞。有理論研究指出，納米級的微孔可以顯著提高超級電容器的比電容，因此制備具有豐富微孔孔徑和高比表面積的碳材料是提高超級電容器性能的有效途徑。然而，如何制備具有豐富微孔孔徑和高比表面積的材料是仍需研究的課題之一。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的之一是提供一種多孔碳納米材料的制備方法，采用以共軛微孔聚合物或共軛微孔聚合物/低維碳納米材料復合材料為前驅體制備多孔碳納米材料。本發明的方法制備的材料具有三維導電網絡，電解液流通順暢，且具有豐富微孔孔徑和高比表面積的材料。

為達上述目的，本發明采用如下技術方案之一：

一種多孔碳納米材料的制備方法，將多環芳烴分子通過傅克反應(Friedel-Crafts reaction)或肖爾反應(Scholl Reaction)聚合得到共軛微孔聚合物前驅體，再將得到的前驅體通過活化劑熱處理得到多孔碳納米材料。

本發明的技術方案之二為：

一種多孔碳納米材料的制備方法，由多環芳烴分子與低維碳納米材料通過傅克反應或肖爾反應原位聚合得到共軛微孔聚合物前驅體，再將得到的前驅體通過活化劑熱處理得到多孔碳納米材料；

或由多環芳烴分子通過傅克反應或肖爾反應聚合得到共軛微孔聚合物后與低維碳納米材料通過非原位的方法復合成復合材料作為前驅體，再將得到的前驅體通過活化劑熱處理得到多孔碳納米材料。

其中原位復合是指以多環芳烴分子為聚合單體，碳納米材料從聚合一開始就與多環芳烴分子單體混合進行聚合反應；所述非原位復合是將多環芳烴分子單體先聚合為共軛微孔聚合物，之后再加入碳納米材料，然后將二者混合均勻。

本發明所得的碳納米材料以多環芳烴分子作為制備聚合物的單體物質，因為含有芳香環或芳香雜環，使得發生聚合和重排后的產物是連續的大π體系結構，利于電子的傳輸，又由于多環芳烴分子具有共軛剛性結構，因此形成的聚合物具有豐富的微孔孔徑。

本發明的方法得到的材料具有豐富的微孔孔徑、高比表面積和均勻的電子傳輸網絡結構。本發明的材料不僅能提供有效電解液流通，而且會增強材料體系的導電網絡，進而提高超級電容器的整體性能，獲得高比電容、循環性能穩定的超級電容器電極材料。

作為優選，所述多環芳烴分子為取代或未取代的芳香環化合物或芳香雜環化合物的單體或其混合物。

優選地，所述取代的取代基為甲基、亞甲基、氨基、硝基、氰基和鹵素中的1種或2種以上的組合。

優選地，所述芳香環化合物為芘、萘、蒽、菲、聯苯二氯芐、二氯對二甲苯等中的1種或2種以上的混合物。

優選地，所述芳香雜環化合物為三聚氯氰、喹喔啉、二氨基吡啶、三聚氰胺等中的1種或2種以上的混合物。

優選地，所述多環芳烴分子采用煤焦油、瀝青、重油中的1種或2種以上的混合物。

即，所述多環芳烴分子既可以為包括以上任意單體的混合，也可以為包括煤焦油、瀝青、重油等富含多環芳烴的混合物的工業產品。

作為優選，所述低維碳納米材料為石墨烯、石墨烯泡沫、碳納米管、碳納米纖維、碳納米棒、碳納米球、炭黑和多孔活性炭中的1種或2種以上的混合物，優選為碳納米管和/或石墨烯。

作為優選，所述聚合所用溶劑為有機溶劑。

優選地，所述聚合所用溶劑為硝基苯、二氯甲烷、三氯甲烷等中的1種或2種以上的混合物。

優選地，所述聚合所用催化劑為路易斯酸金屬鹽。

優選地，所述聚合所用催化劑為氯化鐵和/或氯化鋁。

優選地，所述聚合的溫度為0℃-200℃，例如10℃，20℃，50℃，100℃，150℃，180℃等；聚合的時間為1-24h，例如2h，5h，10h，15h，20h等。