[发明专利]一种氮掺杂多孔碳空心球超级电容器电极活性材料及其制法

说明书

本发明涉及超级电容器技术领域，且公开了一种氮掺杂多孔碳空心球超级电容器电极活性材料，包括以下配方原料及组分：聚苯乙烯多孔纳米微球、对二甲苯、吡咯、氯化铁。以聚苯乙烯多孔纳米微球作为模板，吡咯发生界面化学氧化原位聚合，得到聚吡咯‑聚苯乙烯复合微球，通过四氢呋喃刻蚀除去复合微球内部的聚苯乙烯多孔纳米微球，在聚吡咯内部留下多孔空腔结构，通过高温热裂解，形成具有独特空心结构的氮掺杂多孔碳，具有巨大的比表面积、丰富的孔隙结构和独特的空心结构，可以暴露出大量的电化学活性位点，为充离子提供了扩散通道，氮掺杂有利于调节碳骨架的电子云密度，加速活性材料表面电荷的转移过程。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体为一种氮掺杂多孔碳空心球超级电容器电极活性材料及其制法。

背景技术

超级电容器具有功率密度大、充电速度快、循环寿命长等优点，在新能源领域具有广阔的应用前景，其中电极材料作为超级电容器的核心部件，决定超级电容器的电化学性能，目前的超级电容器电极材料主要有金属氧化物材料，如RuO₂、MnO₂等；导电聚合物材料，如聚苯胺、聚噻吩等。

碳材料具有化学稳定性好、比表面积大、导电性高、廉价易得等优点，是一种应用作为广泛的电极材料，包括活性炭、纳米碳纤维、碳气凝胶、石墨烯等，但是碳电极材料的实际比电容不高，目前可以从提高碳材料的比表面积、孔隙结构和三维骨架结构、杂原子掺杂等方面来提高碳电极材料的电化学性能。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种氮掺杂多孔碳空心球超级电容器电极活性材料及其制法，解决了碳电极材料的实际比电容不高的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氮掺杂多孔碳空心球超级电容器电极活性材料：包括以下原料及组分，聚苯乙烯多孔纳米微球、对二甲苯、吡咯、氯化铁，质量比为150-250:350-450:100:540-560。

优选的，所述氮掺杂多孔碳空心球超级电容器电极活性材料制备方法包括以下步骤：

(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、苯乙烯、交联剂二乙烯基苯，搅拌均匀后滴加引发剂过硫酸钾的水溶液，质量比为100:0.4-0.6:0.8-1.2，置于恒温水浴锅中，在氮气氛围中，加热至60-80℃，匀速搅拌反应6-10h，将溶液离心分离除去溶剂，使用乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到聚苯乙烯纳米交联微球。

(2)向反应瓶中加入浓硫酸和聚苯乙烯纳米交联微球，在30-50℃下，匀速搅拌反应5-10h，加入蒸馏水进行稀释，离心分离、洗涤并干燥，制备得到磺基化聚苯乙烯纳米微球。

(3)向反应瓶中加入乙醇、蒸馏水和正庚烷的混合溶剂，加入磺基化聚苯乙烯纳米微球，超声分散均匀后加热至60-80℃，反应5-15h，将溶液离心分离、洗涤并干燥，制备得到聚苯乙烯多孔纳米微球。

(4)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和聚苯乙烯多孔纳米微球，超声分散均匀后加入二甲苯匀速搅拌进行溶胀过程12-24h，再加入吡咯单体，匀速搅拌2-6h，再加入三氯化铁的水溶液，匀速搅拌反应5-15h，将溶液离心分离除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤产物并干燥，制备得到聚吡咯-聚苯乙烯复合微球。

(5)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂和聚吡咯-聚苯乙烯复合微球，匀速搅拌48-96h，离心分离除去溶剂，使用四氢呋喃洗涤并干燥，制备得到聚吡咯空心微球。

(6)将聚吡咯空心微球置于气氛炉中，进行热裂解过程，制备得到氮掺杂多孔碳空心球超级电容器电极活性材料。

优选的，所述步骤(1)中恒温水浴锅包括恒温加热仪、恒温加热仪上方设置有水浴锅，水浴锅内部设置有底座，底座上方设置有反应瓶，水浴锅上方活动连接有轴承，轴承活动连接有滚动轴，滚动轴活动连接有盖板。