[发明专利]一种具有界面共价键链接的氮磷共掺杂多孔炭膜@聚苯胺杂化电极材料及其制备方法

说明书

一种具有界面共价键链接的氮磷共掺杂多孔炭膜@聚苯胺杂化材料及其制备方法，通过将苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭膜和苯胺分散到含有十六烷基三甲基溴化铵和樟脑磺酸的水溶液中，并加入过硫酸铵引发剂，使樟脑磺酸掺杂的PANI原位接枝在多孔炭纤维膜的表面，形成具有共价键链接的牢固均匀包覆层。由于有界面共价键的存在，将具有骨架稳定性的多孔炭纤维与具有较高赝电容的导电PANI材料有效而牢固地结合，两种材料之间的相互作用增强，会形成更大的π电子离域体系，使两相间的电子传递也由链间跳跃模式转变为链内的直接传导，进而大幅度提高电极材料的比电容及循环稳定性，适合于超级电容器用电极材料。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种具有界面共价键链接的氮磷共掺杂多孔炭膜@聚苯胺杂化电极材料及其制备方法。

背景技术

聚苯胺(PANI)作为电极材料，具有较高的赝电容比容量且自放电较少、成本低且具有优良的动力学性能，但载流子(离子等)在聚苯胺材料内部扩散缓慢，导致电容器的功率性能偏低且循环性能较差。活性炭纤维材料具有比表面积大、孔结构发达丰富、电导率高、化学稳定性好、柔性可弯折等特点，近年来被广泛用于超级电容器电极材料，但其能量密度较低，成为制约其应用的一个瓶颈。

为解决二者作为电极材料的瓶颈问题，将炭纤维膜与导电PANI有效结合，作为一种新型的超级电容器电极材料引起广大科研作者的关注。其关键是如何实现PANI/炭两种材料间的均匀分散，且二者之间具有相当牢固和强度的连接界面，并具有纳米结构的复合材料，有助于提高其作为电极材料的电化学性能。通过调控连接界面，能够实现PANI纳米微纤在炭膜表面的均匀包覆及结合界面强度较高，进而制备出性能优异的超级电容器用电极材料。

Zhou等(Ying-ke Zhou,Ben-lin He,Wen-jia Zhou,et al.Electrochemicalcapacitance of well-coated single-walled carbon nanotube with polyanilinecomposites[J].Electrochimica Acta,2004,49(2):257-262.)通过原位化学聚合法制备了PANI/单壁CNTs复合电极材料，发现CNTs和PANI颗粒之间形成了紧密的电荷传输混合体，而不是单纯的弱分子连结。这种电子传输混合体降低了离子扩散阻抗，有利于电荷的传输，改善了电极的功率特性。但是该方法不适用于无定型的多孔炭。因此，要想通过构建一种“紧密的电荷传输混合体”来提高PANI-多孔炭复合体系的电化学性能，有必要提出一种新的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有界面共价键链接的氮磷共掺杂多孔炭膜@聚苯胺杂化电极材料及其制备方法，该方法制备的材料具有强的界面作用力与呈纳米微纤的聚苯胺阵列，将具有骨架稳定性的炭纤维膜材料与具有较高赝电容的导电PANI材料有效而牢固地结合，两种材料之间的相互作用增强，会形成更大的π电子离域体系，使两相间的电子传递也由链间跳跃模式转变为链内的直接传导，进而大幅度提高电极材料的性能。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种具有界面共价键链接的氮磷共掺杂多孔炭膜@聚苯胺杂化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将十六烷基三甲基溴化铵和樟脑磺酸加入到水中混合，然后加入到正己烷和正己醇的混合液中，得到混合物；将苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭膜和苯胺分散至上述的混合物中，在室温下搅拌均匀，形成A溶液；其中，十六烷基三甲基溴化铵、樟脑磺酸、水、正己烷和正己醇的混合液、苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭膜、苯胺的比为(1.8～2.2)g：(3～3.5)g：(4～6)mL：(25～35)mL：(0.25～0.5)g：(1～2)mL；