[发明专利]一种聚苯胺基中空多腔炭纳米球的制备方法及其储能应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学储能电极材料领域，特别涉及一种聚苯胺基中空多腔炭纳米球的制备方法和电化学储能应用。

背景技术

随着传统能源储量的不断消耗，寻找环境友好的能量存储设备和技术已经成为一个研究热点问题。因此对新型储能设备如超级电容器和锂离子二次电池提出了更高的要求，而对于储能设备而言，其性能主要取决于其电极材料，因此探索性能优异的新型电极材料成为研究热点。在所有的电极材料中，炭材料由于具有高的导电性、高比表面积、化学性能稳定和来源广泛等优势而被广泛的应用，如炭材料已被广泛地应用于超级电容器的电极材料[Long H, Xianglong L, Linjie Z. Carbonaceous electrode materials for supercapacitors.[J]. Advanced Materials, 2013, 25(28):3899-3904.]，其储能机理为双电层电容，但是其所获得的比容量已经不足以满足现代社会的需要。赝电容由于在充放电的过程中会发生可逆的氧化还原反应而使其容量远高于双电层的电容，因此在炭材料中引入赝电容被认为是一种有效的方法，这样所获得的材料就兼具双电层和赝电容的优点。近年来，含氮碳材料在超级电容器的电极材料方面的应用成为了一个研究热点。

导电聚合物如聚苯胺由于制备简单，且具有较高的氮炭比值，因此常被用来制备氮掺杂的炭材料。通过控制聚苯胺的合成条件，可以制备出具有纳米棒、纳米管、纳米线、纳米球等不同形貌的产物，并且通过预氧化和炭化其形貌得以保持。如Jun Yan 等[Yan J. A high-performance carbon derived from polyaniline for supercapacitors[J]. Electrochemistry Communications, 2010, 12(10):1279-1282.]制备出纳米棒状聚苯胺，通过高温炭化和活化得到纳米棒状炭材料，将其作为超级电容器的电极材料。

众所周知，中空炭纳米球首先具有球形结构的优势，即堆积密度大，可以提高电极材料的能量密度，并且球形结构有利于离子从各个方向进入，减小扩散电阻；另一方面中空结构在电化学储能方面拥有更大的优势，其独特的结构可以提供更大的比表面积和更短的传输路径。此外聚苯胺基中空炭纳米球由于含有氮原子，而能够进一步提高电极材料的比容量。但是，目前制备聚苯胺中空球的主要方法是硬模板法和界面软模板法，Jinpeng Han等[Han J, Xu G, Ding B, et al. Porous nitrogen-doped hollow carbon spheres derived from polyaniline for high performance supercapacitors[J]. J.mater.chem.a, 2014, 2(15):5352-5357]用聚苯乙烯做硬模板法制备了聚苯胺基中空碳球，并以其作为超级电容器的电极材料，在0.5A/g的电流密度下比容量达到了213F/g，并且表现出了优异的循环稳定性。硬模板法虽然制备的产物形貌均一，但是在去除模板的过程中很容易对球形结构产生破坏，软模板法由于需要价格较为昂贵的表面活性剂或功能化有机分子等物质而遭到限制。另外，目前制备的中空球基本为一个腔的结构，而对于多腔中空球的研究则很少。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种聚苯胺基中空多腔炭纳米球的制备方法，按下列方法制得：

步骤一：苯胺单体加入到去离子水中，室温搅拌30min分散均匀，然后将过硫酸铵和一定量的二价铜盐溶于去离子水中，单体和过硫酸铵的比例为1:1，两溶液混合，0-10℃下反应12h，之后抽滤，用去离子水和乙醇清洗至滤液无色，真空60℃烘干，得到中空多腔纳米球形聚苯胺；

步骤二：取步骤一所得球形聚苯胺，在空气气氛下200℃预氧化2h，得到预氧化产物；

步骤三：取步骤二所得预氧化产物，在惰性气氛下加热至600-1000℃，保温1-2h。

本发明进一步的优选方案是：所述二价铜盐选自硝酸铜、氯化铜、溴化铜或硫酸铜中的一种。

本发明进一步的优选方案是：所述苯胺聚合的时间选自6h、12h、24h、48h中的一种。

另外本发明还提供一种聚苯胺基中空多腔炭纳米球制备的超级电容器和锂离子二次电池的电极材料。由下述组分按质量百分比组成：导电聚合物基含氮碳材料80%，乙炔黑10%，PVDF10%。