[發明專利]分級多孔結構PNMA/木質素磺酸雜化水凝膠的制備方法

有效

• 申請號: 201711146385.2
• 申請日: 2017-11-17
• 公開（公告）號: CN107746572B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 后振中
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: C08L79/02
• 分類號: C08L79/02;C08L5/04;C08L97/00;C08G73/02
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 譚文琰

本發明公開了一種分級多孔結構PNMA/木質素磺酸雜化水凝膠的制備方法，該方法為：一、將海藻酸鈉、酸性摻雜劑和N?甲基苯胺溶解于去離子水中得到溶液A；二、將氧化劑和木質素磺酸鹽溶解于去離子水中得到溶液B；三、將溶液A和溶液B混合均勻后靜置反應；四、置于去離子水中凈化平衡，最后過濾得到凈化的PNMA/木質素磺酸雜化水凝膠。本發明方法簡單、反應條件溫和、對設備性能要求低，僅依靠反應體系的超分子自組裝行為即可得到PNMA/木質素磺酸雜化水凝膠。所得的雜化水凝膠具有納米尺度的分級多孔結構，表現出較高的比電容和循環壽命，特別適合用于儲能電極材料，在傳感、催化和重金屬離子吸附等領域也具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于導電聚合物基新能源材料的制備技術領域，具體涉及一種分級多孔結構PNMA/木質素磺酸雜化水凝膠的制備方法。

背景技術

作為一類重要的電化學儲能材料，導電聚合物具有成本低、環境污染小、電荷密度高、電位窗口寬及氧化還原活性可調等諸多優點，在超級電容器電極材料的研究領域備受關注。在導電聚合物中，聚苯胺因其易于制備、高摻雜能力、良好的導電性、高電化學活性、高比容量和優異的環境穩定性，逐漸成為一種研究最為廣泛的電極材料。然而，研究數據顯示聚苯胺類電容器的循環壽命幾乎沒有超過10000次，且循環過程中比電容值下降嚴重。這是由于在充放電過程中，聚苯胺的摻雜/去摻雜特性使其體積反復膨脹和收縮，導致電極材料在循環過程中的機械破壞。另外，聚苯胺易于氧化降解，即使其稍微過充，也將導致性能不佳。

目前，制備聚苯胺基復合電極材料是提高循環壽命的主要途徑，但也面臨較為嚴峻的挑戰：聚苯胺需與特定的無機材料混合才能有效提高循環壽命，如碳材料(活性炭、碳納米管、石墨烯等)或金屬氧化物(氧化釕、氧化鎳、四氧化三鈷等)，這些復合成分價格昂貴，且需要預處理和特殊的工藝才能混合均勻，因此制備過程復雜、費時耗力、成本較高，某些金屬氧化物還具有毒性，不符合當前綠色化學的要求。盡管如此，該技術途徑仍難以應對聚苯胺自身氧化降解的問題。事實上，聚苯胺可以通過化學修飾形成聚N-甲基苯胺(PNMA)使其具有更高的抗氧化能力和更好的電化學活性，從而變得更加穩定。聚N-甲基苯胺是NH₂基團中一個質子被甲基取代所得，這將穩定氧化過程中氮產生的正電荷，從而提高聚合物的穩定性以防止電化學降解。

聚N-甲基苯胺(PNMA)的制備非常簡單，只需通過N-甲基苯胺單體的化學氧化聚合或電化學聚合即可獲得，但是該聚合物作為儲能電極材料特別是超電容器材料的相關文獻報道卻比較少。主要原因在于：(1)甲基的取代使聚合物分子鏈扭曲，破壞了共軛性，導致電性能下降，電導率僅為10^-4～10^-2S/cm，遠低于聚苯胺的0.1～5S/cm；(2)PNMA在制備過程中總是自發形成表面光滑的微米球，難以形成比表面積更大的多孔納米結構，而多孔納米結構則是提高電容性的關鍵因素。可見，PNMA受自身電性能和微觀結構所限難以作為一種主流的儲能電極材料用于超級電容器中。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，目的在于提供一種分級多孔結構PNMA/木質素磺酸雜化水凝膠的制備方法。該制備方法中N-甲基苯胺在氧化劑的引發作用下聚合成聚N-甲基苯胺(PNMA)，而海藻酸鈉和木質素磺酸鹽分子中富含羥基、羰基、羧酸根離子、磺酸根離子等活性基團，借助這些活性基團與PNMA分子鏈的氫鍵作用，海藻酸鈉、木質素磺酸鹽和PNMA發生超分子自組裝行為，形成樹枝狀的聚合物納米短纖維。同時在酸性摻雜劑的物理交聯作用下，這些樹枝狀的聚合物納米短纖維相互堆積交聯構筑成具有納米尺度的三維分級多孔結構，從而使聚N-甲基苯胺可應用于儲能材料領域。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：一種分級多孔結構PNMA/木質素磺酸雜化水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、將海藻酸鈉溶解于去離子水中，再加入酸性摻雜劑和N-甲基苯胺，超聲并攪拌使溶解均勻，得到溶液A；

步驟二、將氧化劑和木質素磺酸鹽溶解于去離子水中，攪拌均勻，得到溶液B；