[发明专利]聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料及其制备方法和储能应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料及其制备方法和超级电容器电化学储能应用，属于高分子材料领域。

背景技术

导电聚吡咯是一种典型的导电聚合物，它具有其良好的化学稳定性、掺杂后高导电性、易于合成、形貌可调控等优点，在能量存储、化学和生物传感器、电磁屏蔽以及金属防腐等领域有很好的应用前景。在电化学储能应用领域，导电聚吡咯电极材料的微结构特征尤其重要，高的有效比表面积和整齐排列的纳米阵列可以增加电极材料的比电容、比能量和比功率等电化学储电性能。通常，吡咯单体的α和β位具有相近的反应能力，直接聚合过程中极易交联形成颗粒状聚吡咯，目前为止，具有单一纳米结构特征的聚吡咯纳米颗粒、纳米膜和纳米线已有报道。定向排列的聚吡咯纳米结构电极材料具有很好的导电性和机械强度，既提高了聚吡咯的有效比表面积，又有利于反应离子扩散和电子传输，而设计合成定向排列的聚吡咯复合纳米结构电极材料可以进一步提高其电化学储电性能，因而在超级电容器应用中具有很好的前景。而本发明所述的聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料是基于聚吡咯纳米柱嵌入聚吡咯纳米孔中而形成的整齐排列、均匀分布、并且具有微结构柔性和形貌可调控的一种聚吡咯复合纳米结构阵列材料，可以作为超级电容器电极材料进行电化学高效储能的应用。

发明内容

本发明提供一种聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料及其制备方法，本发明提供一种聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料作为超级电容器电极材料进行电化学储能的应用。

本发明采用如下技术方案来实现上述目的：

本发明所述的一种聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料，所述的聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料包括：聚吡咯基体，在聚吡咯基体上设有呈阵列分布且两端通透的纳米孔，在纳米孔内嵌入聚吡咯纳米柱，聚吡咯纳米柱柱面与纳米孔内壁之间设有间隙。

本发明所述的聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料的制备方法，首先，在二电极电化学反应体系中，钛片作为阳极并作为工作电极，铂片作为阴极并作为辅助电极，以氟化铵、磷酸和乙二醇的水溶液为反应电解质溶液，采用恒电压阳极氧化反应方法，制备管壁间隔分离的、有序且按阵列排列的二氧化钛纳米管，得到的管壁间隔分离的二氧化钛有序纳米管作为模板；然后，在三电极电化学反应体系中，二氧化钛有序纳米管模板作为电极基体材料并作为工作电极，铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以吡咯单体和高氯酸锂的乙氰有机溶液为反应电解质溶液，采用调控的电聚合反应方法，聚吡咯在二氧化钛有序纳米管外壁面和管腔内依次沉积并形成基于管壁面的聚吡咯纳米膜和基于管腔内的聚吡咯纳米柱，得到由二氧化钛纳米管、包覆在纳米管外壁面上的聚吡咯纳米膜和嵌入在纳米管管腔内的聚吡咯纳米柱复合而成的同心轴实心结构的聚吡咯包覆二氧化钛纳米管复合阵列材料。最后，上述制备的聚吡咯包覆二氧化钛纳米管复合阵列材料为前躯体，采用化学腐蚀溶解反应方法完全去除二氧化钛有序纳米管模板，得到聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料。

本发明所述的聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料作为超级电容器电极材料进行电化学储能的应用。

本发明所述的聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料具有以下优点。

(1)聚吡咯纳米柱完全嵌入聚吡咯纳米孔中形成有序规整排列和均匀分布的纳米阵列结构，其中所述的纳米孔具有两端通透的特征，纳米柱具有独立柱结构并且与纳米孔壁面之间保持均匀间隙的特征。

(2)纳米孔能提供完全通透性的纳米通道，同时纳米柱柱面与纳米孔内壁之间保持均匀间隙，一方面增加了有效比表面积，另一方面优化了反应离子定向迁移路径，实现反应离子短程扩散，应用于超级电容器电极材料可以提高电化学储电性能。

(3)聚吡咯纳米孔和聚吡咯纳米柱具有规整有序排列的聚吡咯导电膜，电化学反应产生电子在电场作用下沿着聚吡咯导电膜进行轴向的定向有规传输，提高了电子传导效率，应用于超级电容器电极材料可以提高电化学储电性能。

(4)采用电化学和湿化学合成反应的制备方法，可以在常温常压的温和条件下进行，操作简单，而且前躯体材料易得，原料成本相对低廉。

附图说明

图1是聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料的微结构示意图。

图2是聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料的扫描电镜正面俯视图。

图3是聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料的扫描电镜背面俯视图。

图4是聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料的扫描电镜侧面剖视图。

图5是聚吡咯纳米柱嵌纳米孔阵列材料的傅里叶变换红外光谱图。