[发明专利]氮掺杂磺化多孔碳/聚苯胺复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂磺化多孔碳/聚苯胺复合电极材料及其制备方法，属于电子材料领域。其首先对聚苯乙烯颗粒进行相分离致孔得到多孔聚苯乙烯颗粒，接着将多孔聚苯乙烯颗粒和苯胺进行共超交联制得含氮超交联聚合物，随后将其与氢氧化钾混合后进行高温热解得到氮掺杂多孔碳，再用浓硫酸磺化得到氮掺杂磺化多孔碳，最后通过吸附苯胺并原位聚合负载聚苯胺，得到所述氮掺杂磺化多孔碳/聚苯胺复合电极材料。本发明将多孔聚苯乙烯与苯胺共超交联并热解后形成了具有多级孔结构的大比表面积氮掺杂多孔碳，而引入磺酸基增强了碳材料对聚苯胺的负载能力，从而显著提高了氮掺杂磺化多孔碳/聚苯胺复合材料的电化学性能。

技术领域

本发明属于电子材料领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳/聚苯胺复合电极材料及其制备方法。

背景技术

随着能源危机和环境问题的日益突出，超级电容器作为一种新型的绿色储能装置，因其功率密度高、循环寿命长等优点备受关注。根据电荷存储机制超级电容器可分为两种：一种是双电层电容器，即碳材料通过电子在电极/电解质界面双电层上的吸脱附完成能量储存；另外一种是赝电容器，即金属氧化物材料和导电聚合物材料通过在电极表面或者内部快速发生的法拉第氧化还原反应来储存能量。

碳材料是最早用于制作超级电容器电极的材料，其因具有资源丰富、价格低廉、对环境污染小、比表面积高、孔结构可控、化学稳定性高、工作温度范围宽等优势，在工业化背景下应用十分广阔。然而，由于双电层电容器的物理电荷存储机制的限制，能量密度小，无法满足日益提高的实际应用需求，迫切需要开发具有增强电化学特性的先进功能碳材料。在碳材料中掺杂杂原子特别是氮原子能提高材料的润湿性，增强与电解液的接触，同时增加赝电容。二氧化钌等过渡金属氧化物是典型的赝电容材料，具有理论比容量高、电化学可逆性好等特点，但普遍存在成本高、电位窗口较窄、循环寿命短和导电性差等问题。导电聚合物以其柔韧性和相对较高的比电容而引发关注，其中聚苯胺因其成本低、易于合成、导电率高、多氧化还原态和高理论赝电容，被认为是一种优良的超级电容器电极材料。然而，聚苯胺在高倍率充放电循环过程中的稳定性差，电容量衰减快。

综合上述材料的优缺点，越来越多的人将研究重点转移到杂原子掺杂多孔碳与聚苯胺的复合材料上，设法使两种材料紧密结合，协同增效，以期获得比电容高、循环稳定性好且价格便宜的电极材料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种氮掺杂磺化多孔碳/聚苯胺复合电极材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮掺杂磺化多孔碳/聚苯胺复合电极材料，其是先利用甲苯和正庚烷对聚苯乙烯颗粒进行相分离致孔得到多孔聚苯乙烯颗粒，接着以多孔聚苯乙烯颗粒和苯胺为双单体、二甲氧基甲烷为交联剂制得含氮超交联聚合物，随后将其作为多孔碳的前驱体与氢氧化钾混合，在氮气氛围下高温热解得到氮掺杂多孔碳，再用浓硫酸磺化得到氮掺杂磺化多孔碳，最后通过吸附苯胺并原位聚合的方法负载聚苯胺，制得所述氮掺杂磺化多孔碳/聚苯胺复合电极材料。其具体制备步骤如下：

（1）聚苯乙烯颗粒相分离致孔：将3g微米级聚苯乙烯颗粒加入到80ml甲苯与正庚烷（1:1-7:1，v/v）的混合溶液中，超声分散后在搅拌条件下30-90℃恒温反应2-12h，产物抽滤后经醇洗、烘干得到多孔聚苯乙烯颗粒；

（2）多孔聚苯乙烯与苯胺共超交联：取步骤（1）制得的多孔聚苯乙烯颗粒1g和苯胺0.5-3g，将两者共同分散于一定量1,2-二氯乙烷中，然后加入10-80mmol二甲氧基甲烷充分搅拌溶胀，再加入20-80mmol无水三氯化铁（此时溶液中无水三氯化铁的浓度为1mmol/ml），先在45℃搅拌反应5h，再升温至80℃搅拌反应19h，产物过滤后经甲醇洗、干燥得到含氮超交联聚合物；