[發明專利]一種咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110425105.1
• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號: CN113178338B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 李曉;李彩虹;張衛英;孫雪;陳秋月
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/24;H01G11/48;H01G11/30;H01G11/86
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 俞舟舟;蔡學俊

本發明屬于電子材料領域，具體涉及一種咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料及其制備方法。制備過程包括：以咔唑為單體、二甲氧基甲烷為外交聯制得超交聯聚咔唑，再將其作為多孔碳的前驅體與氫氧化鉀混合，在氮氣氛圍下通過高溫熱解得到含氮的多級孔多孔碳，最后經化學氧化聚合的方法負載聚苯胺，制備得到所述咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料。本發明利用咔唑的含氮官能團和超交聯聚合物的孔結構，制備的氮摻雜多孔碳的比表面積達到1576 m2·g^?1，負載聚苯胺后所得復合電極材料的比電容達到462 F·g^?1，可用于制備超級電容器。

技術領域

本發明屬于電子材料領域，具體涉及一種咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料及其制備方法。

背景技術

超級電容器是一種新興的綠色儲能裝置，一般由電極、集流體、電解質和隔膜組成，其中，電極材料是影響超級電容器性能的關鍵因素，直接決定了超級電容器的比電容、循環穩定性、能量密度和功率密度等性能參數，而且電極材料的成本及其能否大規模生產決定了超級電容器能否走向市場。

根據電能存儲機制的不同，超級電容器可分為雙電層電容器和贗電容器兩種主要類型。雙電層電容材料主要是碳材料，贗電容材料主要有金屬氧化物和導電聚合物。碳材料內阻較低，所制雙電層電容器具有較高的循環穩定性和功率密度，但比電容和能量密度較低。贗電容器則比雙電層電容器具有更高的理論電容量和能量密度，但由于贗電容材料本身導電性差，致使其循環穩定性和倍率性能較差，功率密度也不如雙電層電容器。因此，將碳材料與贗電容材料進行有機復合，設法使不同存儲能機制組分之間實現協同增效進而獲得性能優異的復合材料，這是當前電極材料的一個研究重點。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料及其制備方法。為了制備具有高電化學性能的多孔碳/聚苯胺復合電極材料，提高材料的比電容和循環穩定性，本發明提出首先將咔唑采用外交聯劑進行超交聯，并將制得的超交聯聚合物作為多孔碳前驅體，同時利用氫氧化鉀的蝕刻作用，通過熱解制備具有多級孔結構的含氮多孔碳，然后通過化學氧化聚合的方法使聚苯胺負載到多孔碳上，制備得到咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案是：

一種咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）咔唑單體超交聯：將咔唑單體溶解于1,2-二氯乙烷，然后加入二甲氧基甲烷充分攪拌，再加入無水三氯化鐵，邊攪拌邊升溫至80℃，在80℃下反應24小時，產物過濾后經甲醇超聲清洗并抽濾至濾液接近無色，80℃真空烘干后得到咔唑基超交聯聚合物；其中，（咔唑+二甲氧基甲烷）/無水三氯化鐵的摩爾比為3:1-1:2，二甲氧基甲烷/咔唑的摩爾比為3:1-1:2。

（2）熱解制備多孔碳：將步驟（1）制得的咔唑基超交聯聚合物和氫氧化鉀按1:2-1:6的質量比例分散在無水乙醇中，60℃下攪拌至溶劑蒸干，然后將干燥的混合物置于管式爐中，在氮氣氛圍下以5℃/min的速率升溫至600-900℃，然后保持該溫度高溫熱解1-3小時，熱解產物經酸洗、水洗、烘干后得到咔唑基多孔碳。

（3）多孔碳負載聚苯胺：將咔唑基多孔碳分散于1M鹽酸中，然后加入一定比例的苯胺（苯胺終濃度為0.05M-0.2M，苯胺/多孔碳的質量比為2:1-1:2），0-5℃下攪拌1小時備用；再將一定量的過硫酸銨溶解在等量1M鹽酸中（苯胺/過硫酸銨的摩爾比為5:1-1:2），并在0-5℃下保存0.5小時后加入上述混合溶液中，0-5℃反應12小時，產物經水洗、干燥后得到咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料。

本發明采用以上技術方案，利用咔唑作為超交聯聚合物的單體，以二甲氧基甲烷為外交聯劑制得超交聯聚咔唑，再將其作為多孔碳的前驅體與氫氧化鉀混合，通過高溫熱解的方法得到含氮的多級孔多孔碳，最后經化學氧化聚合的方法負載聚苯胺，制備得到咔唑基多孔碳/聚苯胺復合電極材料。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：