[發(fā)明專利]一種PIM-1負(fù)載聚吡咯復(fù)合材料及制備方法和其應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2020-03-03
• 公開（公告）號: CN111326349A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃愛生;岳文哲;劉傳耀
• 申請（專利權(quán)）人: 華東師范大學(xué)
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/26;H01G11/34;H01G11/48;C08G73/06;C08G83/00
• 代理公司: 上海藍(lán)迪專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發(fā)明公開了一種PIM?1負(fù)載聚吡咯復(fù)合材料及制備方法和其應(yīng)用，其制備包括：a）在惰性氮氣的氣氛下，加熱混合攪拌四氟對苯二甲腈、5,5',6,6'?四羥基?3,3,3',3'?四甲基?1,1'?螺雙茚滿、DMF和碳酸鉀溶液，冷卻后加水，用氯仿、1，4二氧六環(huán)、四氫呋喃、丙酮洗滌，再于110℃下干燥24h，得到PIM?1；b）將所得亮黃色粉末以5℃/min的升溫速率升溫至600℃氮氣氛圍煅燒3 h，制得多孔碳材料；c）將多孔碳材料制備成電極片，置于吡咯溶于的稀硫酸水溶液中，加載0.2~0.8 V電壓，電沉積5~10 min，制得PIM?1負(fù)載聚吡咯復(fù)合材料。將該材料應(yīng)用在超級電容器，表現(xiàn)出高達(dá)4579F/g的比電容，以及良好的倍率特性，是非常有潛力的超級電容器材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多孔復(fù)合碳材料的合成，特別是聚吡咯與本征微孔聚合物復(fù)合材料的制備，具體地說是一種電化學(xué)沉積聚吡咯復(fù)合本征微孔聚合物材料及制備方法和其應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤、石油、天然氣等不可再生能源的儲量不斷減少，帶來了能源緊缺、溫室效應(yīng)和生態(tài)破壞等問題，也使得人類的生存環(huán)境遭到破壞。化石燃料在使用時會產(chǎn)生一些有毒氣體(如SO₂)和溫室氣體CO₂，這會使環(huán)境遭到破壞，造成全球變暖，威脅全球生態(tài)平衡。因此，太陽能、風(fēng)能、氫能等新能源的研發(fā)需求日益迫切，開發(fā)低成本、清潔、可再生的替代能源已成為緩解世界能源壓力的一種重要途徑。可再生的清潔能源一般是分散且波動的，實際應(yīng)用時較為不便。為了保證這些可再生能源能夠有效地進(jìn)入人們的日常生活，需要將其先存儲起來再加以利用。因此，大規(guī)模發(fā)展綠色環(huán)保、性能良好、成本低的能源儲存設(shè)備，是社會發(fā)展進(jìn)步的迫切需求。

儲能設(shè)備在現(xiàn)代社會中具有十分重要的地位，日益普及的便攜電子設(shè)備和電動汽車等對儲能設(shè)備的性能提出了較高要求。超級電容器由于其功率密度高、循環(huán)壽命長、安全環(huán)保等優(yōu)點近年來受到廣泛關(guān)注。而電極材料是影響超級電容器綜合性能的重要因素，根據(jù)儲能機(jī)理的不同，超級電容器可以分為雙電層電容器和贗電容器。雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料(如活性炭石墨烯等)；贗電容器也稱為法拉第準(zhǔn)電容器，其電極材料主要為金屬氧化物和導(dǎo)電高分子，這些材料的有效復(fù)合可能會優(yōu)化材料的電化學(xué)性能。

近年來，一種新型的高自由體積聚合物被開發(fā)出來，稱為“本征微孔聚合物”(PIMs)。PIMs具有稠環(huán)結(jié)構(gòu)，梯形結(jié)構(gòu)被扭曲部位打斷。這些結(jié)構(gòu)特征防止聚合物在固態(tài)下有效地填充空間，其高自由體積和微孔性(有效孔徑2nm)。PIM原型膜被稱為PIM-1，具有高滲透性和良好的選擇性。

聚吡咯(PPy)作為具有贗電容性能的電極材料，由于其高導(dǎo)電性，低成本和較好的氧化還原可逆性而受到廣泛關(guān)注。但聚吡咯在長時間的電化學(xué)使用過程中，其體積會發(fā)生較大的膨脹與收縮，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞與坍塌，降低其電化學(xué)穩(wěn)定性，阻礙了聚吡咯在超級電容器中的應(yīng)用。為了彌補上述缺陷，迫切需要研發(fā)改性的復(fù)合材料以提高聚吡咯基超級電容器的性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種PIM-1負(fù)載聚吡咯復(fù)合材料及制備方法和其應(yīng)用，將碳化PIM-1為材料制備電極片，通過電化學(xué)方法沉積PPy得到PIM-1負(fù)載聚吡咯復(fù)合材料即PPy@PIM-1@Ni foam，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性，且涉及的制備方法簡單、易控，適合推廣應(yīng)用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種PIM-1負(fù)載聚吡咯復(fù)合材料的制備方法，該方法包括以下具體步驟：

步驟1：在惰性氮氣的氣氛下，將四氟對苯二甲腈、5,5',6,6'-四羥基-3,3,3',3'-四甲基-1,1'-螺雙茚滿加入到DMF中，再加入碳酸鉀；60℃加熱攪拌反應(yīng)12小時，制得多孔高分子材料PIM-1；其中，物質(zhì)的量之比為四氟對苯二甲腈∶5,5',6,6'-四羥基-3,3,3',3'-四甲基-1,1'-螺雙茚滿∶DMF∶碳酸鉀＝1∶1∶2500∶75；