[發明專利]聚吡咯與六元瓜環自組裝超級電容器材料的制備及應用

在審

• 申請號: 202011260131.5
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112349520A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 叢航;金先義;代欣;王成艷
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: H01G11/48
• 分類號: H01G11/48;H01G11/30;H01G11/58;H01G11/86
• 代理公司: 北京聯創佳為專利事務所(普通合伙) 11362
• 代理人: 張梅

本發明公開了聚吡咯與六元瓜環自組裝超級電容器材料的制備方法及應用，超級電容器材料的制備方法包括：將六元瓜環、十六烷基三甲基溴化銨和吡咯加入水中反應，再加入過硫酸銨溶液反應，烘干沉淀，即得。本發明所得材料是一種超級電容活性材料，其具有合成簡單，穩定性好，設備要求和成本低，耗時短，操作方便，且可大規模生產的優點，該材料用于超級電容器中可實現高比電容，高穩定性、可逆性、導電性及循環性。同時，本發明還開發了一種能大幅度改善該材料超級電容器性能的電解質溶液，在該電解質溶液中，比電容更高，導電性更強，循環性更好，放電時間長于充電時間，且該電解質溶液在?20℃下仍能正常使用。

技術領域

本發明涉及超級電容器領域，特別是聚吡咯與六元瓜環自組裝超級電容器材料的制備方法及應用。

背景技術

超級電容器，是一種介于傳統介電質電容器和蓄電池之間的新型儲能器件，按儲能機理不同可分為雙電層電容器和贗電容電容器。其中，雙電層電容器是電解質溶液中正負離子分離，電荷在電極表面發生吸附/脫附過程，導致電極之間形成電勢差來進行電荷的儲存和釋放的電容器；法拉第贗電容器是電極材料發生可逆氧化還原反應或離子的摻雜/去摻雜過程中電子的快速傳遞導致電極之間形成電勢差進行電荷儲存和釋放的電容器。與傳統電容量相比，超級電容器具有功能密度高、充電速度快、循環壽命長、環保等優點，被廣泛用于便攜式電子產品、新能源汽車、航空航天等諸多領域當中。因此，開發穩定性好、比電容高、可逆性、導電性強及循環性能好的超級電容器材料非常重要，此外，通過電解質溶液來改善超級電容器體系的性能也及其關鍵。

聚吡咯(PPy)作為一種導電聚合物，因其合成簡單、導電率較高、柔韌性好、空氣中穩定性好、具有共軛結構等特點，使之被作為電化學超級電容器主要研究材料之一。但是，處于本征態的PPy難分散，比表面積不夠大，循環性差等缺陷限制了其儲電能力和循環性。

六元瓜環(Q[6])，一種結構高度對稱的剛性籠狀大環化合物，端口羰基氧原子帶負電性，通過空腔或端口能與金屬陽離子作用，具有良好的化學穩定性和較大的分子表面積，可通過化學合成方法使之于導電材料復合形成高比表面積的超級電容器復合材料，從而提高材料導電性、循環性以及儲電能力。

然而，目前并沒有將聚吡咯和六元瓜環制出超級電容器復合材料的合成方法和應用方法。

發明內容

本發明的目的在于提供聚吡咯與六元瓜環自組裝超級電容器材料的制備方法及應用。本發明所得材料是一種超級電容活性材料，其具有合成簡單，穩定性好，設備要求和成本低，耗時短，操作方便，且可大規模生產的優點，該材料用于超級電容器中可實現高比電容，高穩定性、可逆性、導電性及循環性。同時，本發明還開發了一種能大幅度改善該材料超級電容器性能的電解質溶液，在該電解質溶液中，比電容更高，導電性更強，循環性更好，放電時間長于充電時間，且該電解質溶液在-20℃下仍能正常使用。

本發明的技術方案：一種聚吡咯與六元瓜環(記為PPy/Q[6])自組裝超級電容器材料，所述六元瓜環的化學式為：(C₆H₆N₄O₂)₆，其結構式為：

所述超級電容器材料的制備方法包括：將六元瓜環、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和吡咯加入水中反應，再加入過硫酸銨溶液反應，烘干沉淀，即得。

前述的聚吡咯與六元瓜環自組裝超級電容器材料中，所述超級電容器材料的制備方法包括：所述超級電容器材料的制備方法包括：依次將六元瓜環、十六烷基三甲基溴化銨和吡咯加入蒸餾水中，加入后十六烷基三甲基溴化銨和吡咯的溶液濃度比為0.2～0.5，吡咯和六元瓜環的溶液濃度比為2～16，吡咯的濃度為0.025moL/L，在1～5℃恒溫反應4～6h，然后滴加過硫酸銨溶液，按過硫酸銨溶液和吡咯溶液的濃度比為0.8～1.2滴加，恒溫反應8～12h，過濾得到沉淀，然后用無水乙醇、蒸餾水依次洗滌沉淀2～10次，烘干沉淀，即得聚吡咯與六元瓜環自組裝超級電容器材料。