[发明专利]一种咔唑基多孔碳/聚苯胺复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明属于电子材料领域，具体涉及一种咔唑基多孔碳/聚苯胺复合电极材料及其制备方法。制备过程包括：以咔唑为单体、二甲氧基甲烷为外交联制得超交联聚咔唑，再将其作为多孔碳的前驱体与氢氧化钾混合，在氮气氛围下通过高温热解得到含氮的多级孔多孔碳，最后经化学氧化聚合的方法负载聚苯胺，制备得到所述咔唑基多孔碳/聚苯胺复合电极材料。本发明利用咔唑的含氮官能团和超交联聚合物的孔结构，制备的氮掺杂多孔碳的比表面积达到1576 m²·g^‑1，负载聚苯胺后所得复合电极材料的比电容达到462 F·g^‑1，可用于制备超级电容器。

技术领域

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

背景技术

超级电容器是一种新兴的绿色储能装置，一般由电极、集流体、电解质和隔膜组成，其中，电极材料是影响超级电容器性能的关键因素，直接决定了超级电容器的比电容、循环稳定性、能量密度和功率密度等性能参数，而且电极材料的成本及其能否大规模生产决定了超级电容器能否走向市场。

根据电能存储机制的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器两种主要类型。双电层电容材料主要是碳材料，赝电容材料主要有金属氧化物和导电聚合物。碳材料内阻较低，所制双电层电容器具有较高的循环稳定性和功率密度，但比电容和能量密度较低。赝电容器则比双电层电容器具有更高的理论电容量和能量密度，但由于赝电容材料本身导电性差，致使其循环稳定性和倍率性能较差，功率密度也不如双电层电容器。因此，将碳材料与赝电容材料进行有机复合，设法使不同存储能机制组分之间实现协同增效进而获得性能优异的复合材料，这是当前电极材料的一个研究重点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种咔唑基多孔碳/聚苯胺复合电极材料及其制备方法。为了制备具有高电化学性能的多孔碳/聚苯胺复合电极材料，提高材料的比电容和循环稳定性，本发明提出首先将咔唑采用外交联剂进行超交联，并将制得的超交联聚合物作为多孔碳前驱体，同时利用氢氧化钾的蚀刻作用，通过热解制备具有多级孔结构的含氮多孔碳，然后通过化学氧化聚合的方法使聚苯胺负载到多孔碳上，制备得到咔唑基多孔碳/聚苯胺复合电极材料。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种咔唑基多孔碳/聚苯胺复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）咔唑单体超交联：将咔唑单体溶解于1,2-二氯乙烷，然后加入二甲氧基甲烷充分搅拌，再加入无水三氯化铁，边搅拌边升温至80℃，在80℃下反应24小时，产物过滤后经甲醇超声清洗并抽滤至滤液接近无色，80℃真空烘干后得到咔唑基超交联聚合物；其中，（咔唑+二甲氧基甲烷）/无水三氯化铁的摩尔比为3:1-1:2，二甲氧基甲烷/咔唑的摩尔比为3:1-1:2。

（2）热解制备多孔碳：将步骤（1）制得的咔唑基超交联聚合物和氢氧化钾按1:2-1:6的质量比例分散在无水乙醇中，60℃下搅拌至溶剂蒸干，然后将干燥的混合物置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至600-900℃，然后保持该温度高温热解1-3小时，热解产物经酸洗、水洗、烘干后得到咔唑基多孔碳。

（3）多孔碳负载聚苯胺：将咔唑基多孔碳分散于1M盐酸中，然后加入一定比例的苯胺（苯胺终浓度为0.05M-0.2M，苯胺/多孔碳的质量比为2:1-1:2），0-5℃下搅拌1小时备用；再将一定量的过硫酸铵溶解在等量1M盐酸中（苯胺/过硫酸铵的摩尔比为5:1-1:2），并在0-5℃下保存0.5小时后加入上述混合溶液中，0-5℃反应12小时，产物经水洗、干燥后得到咔唑基多孔碳/聚苯胺复合电极材料。

本发明采用以上技术方案，利用咔唑作为超交联聚合物的单体，以二甲氧基甲烷为外交联剂制得超交联聚咔唑，再将其作为多孔碳的前驱体与氢氧化钾混合，通过高温热解的方法得到含氮的多级孔多孔碳，最后经化学氧化聚合的方法负载聚苯胺，制备得到咔唑基多孔碳/聚苯胺复合电极材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：