[发明专利]一种超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米材料和能源科学技术领域，具体涉及一种超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料及其制备方法和应用，包括以下步骤：以聚苯乙烯为原料，三聚氯氰为交联剂，在三氯化铝催化作用下，发生超交联反应，制得炭前驱体；在氮气气氛下，将所述炭前驱体在500‑800℃进行碳化处理制得超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料；该方法避免了传统制备方法的不足，通过前驱体交联分子结构设计实现对炭材料孔隙的调控。

技术领域

本发明属于纳米材料和能源科学技术领域，具体涉及一种超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

纳米孔炭材料在能量存储/转化、气体吸附、药物缓释等领域具有广泛的应用。孔结构对纳米孔炭材料的性能发挥着重要的作用。例如，具有微孔骨架和高比表面积的炭材料作为超级电容器电极材料，有助于增加双电层电容；而低孔隙、低比表面积炭材料作为锂/钠离子电池负极材料，有利于提高首次库伦效率以及循环性能。

在制备低孔隙、低比表面积炭材料方面，通常需要依靠调控碳化工艺来实现低孔隙的构筑。但是，碳化工艺不仅能改变材料的孔结构，而且也会改变炭材料的表面性质，这对结构与性能关系的研究带来困难；另外，碳化工艺很难实现在分子水平上调控炭骨架孔隙率、缺陷与表面化学结构，限制了低孔隙炭材料的灵活设计。基于此，发展创新的低孔隙炭材料合成策略，从分子设计水平来构筑低孔隙炭材料具有重要的意义，但鲜有报道。

发明内容

为了解决现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料及其制备方法和应用，通过交联桥分子结构的调控，实现了低孔隙炭材料的结构设计与孔隙调控。

本发明的首要目的是提供一种超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、以聚苯乙烯为原料，三聚氯氰为交联剂，在三氯化铝催化作用下，发生超交联反应，制得炭前驱体；

S2、在氮气气氛下，将所述炭前驱体在500-800℃进行碳化处理制得超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料。

优选地，S1中，所述聚苯乙烯为线性聚苯乙烯、聚苯乙烯纳米球或聚苯乙烯泡沫板。

优选地，S1中，所述超交联反应具体包括以下步骤：

将聚苯乙烯加至二氯甲烷中溶解，之后依次加入三聚氯氰和三氯化铝，75～80℃反应24h后，终止反应，经过滤、洗涤、干燥处理，制得炭前驱体。

优选地，S1中，所述聚苯乙烯：二氯甲烷用量比为8-12g:1L；所述聚苯乙烯：三聚氯氰的质量比为1:1.23-1.85；所述三聚氯氰：三氯化铝质量比为1:2。

优选地，S1中，所述终止反应所用试剂为1mol/L的盐酸水溶液。

优选地，S1中，所述洗涤具体是指终止反应后，过滤，滤饼用体积比为1:3的盐酸和丙酮组成的混合溶剂洗涤，重复多次后，再水洗至中性。

优选地，S2中，所述碳化处理条件为：以80mL/min的速度通入氮气，并以5℃/min的速度升温至500-800℃保温3h，自然冷却至室温。

本发明的第二个目的是提供由上述制备方法制得的超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料。

本发明的第三个目的是提供上述超交联聚苯乙烯基低孔隙炭材料在钠离子电池负极材料中的应用。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果: