[发明专利]一种生物质基多孔碳气凝胶的超级电容器电极材料及其制法

说明书

本发明涉及超级电容器领域，且公开了一种生物质基多孔碳气凝胶的超级电容器电极材料，以硫代聚(苯乙烯‑丙烯腈‑马来酸酐)作为大分子引发剂，通过可逆加成—断裂链转移法，与聚乙二醇甲基丙烯酸酯共聚，得到的嵌段共聚物作为软模板剂，木质素基气凝胶包覆嵌段共聚物胶束，通过高温炭化，嵌段共聚物软模板剂在碳气凝胶中形成丰富的孔隙结构，同时丙烯腈组分作为氮源，得到比表面积巨大、孔隙结构丰富的生物质基氮掺杂多孔碳气凝胶，氮掺杂在碳骨架中形成石墨氮、吡咯氮和吡啶氮结构，有利于调节碳骨架的电子密度和电荷排布，提高多孔碳的赝电容效应，表现出优异的电化学性能和实际比电容。

技术领域

本发明涉及超级电容器领域，具体为一种生物质基多孔碳气凝胶的超级电容器电极材料及其制法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题越来越严重，开发新型高效的储能系统和能源装置成为研究重点，如锂离子电池、锌-空气电池等，超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置，具有充放电速率快、功率密度高、循环稳定性好等优点，而电极材料之间影响着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碳电极材料，如石墨烯、活性炭、碳气凝胶等；过渡金属化合物电极材料等，如MnO₂、RuO₂等；导电聚合物电极材料，如聚苯胺、聚吡咯等；其中碳材料具有比表面积大、孔径结构可调控、导电性能良好和成本低廉等优点，是一种极具发展潜力的电极材料，但是传统的碳材料的比电容和能量密度较低，限制了其进一步发展和应用，而在碳基骨架中掺杂氮、磷、硫、硼等杂原子，可以有效提高其比电容和能量密度。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种生物质基多孔碳气凝胶的超级电容器电极材料及其制法，解决了碳材料的比电容和能量密度较低的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种生物质基多孔碳气凝胶的超级电容器电极材料：所述生物质基多孔碳气凝胶的超级电容器电极材料制备方法如下：

(1)在氮气氛围中，向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂、苯乙烯、丙烯腈、马来酸酐和RAFT试剂，搅拌均匀后加入引发剂，置于热反应装置中，加热至70-80℃，匀速搅拌反应48-72h，将溶液置于冰水浴中冷却，加入甲醇进行沉淀，过滤除去溶剂，使用甲醇洗涤并干燥，制备得到硫代聚(苯乙烯-丙烯腈-马来酸酐)。

(2)在氮气氛围中，向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、硫代聚(苯乙烯-丙烯腈-马来酸酐)、聚乙二醇甲基丙烯酸酯和偶氮二异丁腈，置于热反应装置中，加热至70-80℃，匀速搅拌反应18-36h，将溶液置于冰水浴中冷却，加入乙醚进行沉淀，过滤除去溶剂，使用乙醚洗涤并干燥，将得到的聚(苯乙烯-丙烯腈-马来酸酐)-聚乙二醇甲基丙烯酸酯嵌段共聚物置于丙酮溶剂中搅拌溶解，加入蒸馏水，加热至60-70℃，匀速搅拌30-60min，制备得到嵌段共聚物胶束。

(3)向嵌段共聚物胶束中加入乙醇溶剂，搅拌均匀后加入碱木质素、间苯二酚和甲醛的水溶液，置于微波反应仪中进行反应，制备得到木质素基凝胶包覆嵌段共聚物胶束。

(4)将木质素基凝胶包覆嵌段共聚物胶束通过冷冻干燥除去溶剂，得到木质素基气凝胶，并置于气氛炉中进行高温碳化过程，制备得到生物质基多孔碳气凝胶的超级电容器电极材料。

优选的，所述步骤(1)中的RAFT试剂为二硫代苯甲酸异丁酯，引发剂为过氧化二苯甲酰，苯乙烯、丙烯腈、马来酸酐和二硫代苯甲酸异丁酯、过氧化二苯甲酰的质量比为100:30-60:80-100:3-5:15-20。

优选的，所述步骤(1)中的热反应装置包括油浴槽，油浴槽内部下方设置有加热片，油浴槽上方活动连接有盖板，油浴槽内壁固定连接有卡槽，卡槽活动连接有支撑杆，支撑杆活动连接有转动轮，转动轮活动连接有固定夹，固定夹活动连接有反应瓶。