[发明专利]一种氮掺杂中空碳纳米线接枝聚吡咯的制备方法及其用途

说明书

一种氮掺杂中空碳纳米线接枝聚吡咯的制备方法及其用途。本发明提供了一种新型碳基电极材料的制备方法，包括如下步骤：一、SiO₂纳米线的制备；二、氮掺杂碳中空纳米线的制备；三、偶氮苯改性氮掺杂碳中空纳米线；四、氮掺杂碳中空纳米线接枝聚吡咯电极材料的制备。对该电极材料的电化学性能进行测试，在电流密度为1A/g条件下，比电容为301F/g，循环使用800次后，比电容为初始值的78.1％。该制备方法工艺稳定、易于操作、质量可靠、成本低廉，质量轻，无污染等特点，具有很好的商业化前景。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂中空碳纳米线接枝聚吡咯的制备方法及其用途，属于碳材料和电化学领域。

背景技术

超级电容器作为一种新型的储能装置，具有功率密度高(可达10²～10⁴W/kg)、循环寿命长(50万～100万次)、工作温限宽(-40～80℃)、能量密度大、绿色环保等优点，已广泛应用于交通、电力设备、工业与机械等领域。超级电容器的性能很大程度上取决于其电极采用的选用。因此电极材料的研究成为超级电容器研究的重点。超级电容器储能机理可分为双电层电容器和赝电容器两大类。双电层电容器是依靠电解液离子在活性材料表面的可逆吸附实现的。而赝电容器是通过电极表面电活性物质与电解液之间快速的法拉第反应而实现储存。双电层电容器的电极主要为碳材料，包括活性炭、碳纳米管、碳纤维、石墨烯和碳凝胶等。赝电容器电极主要为过渡金属化合物，如二氧化锰、氧化钌、氧化钴、硫化锰等和导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯等。双电层电容器碳材料，它们虽然比表面积大、循环稳定性强，但仍存在低比电容、低能量密度等缺点。因此为了提高碳材料的比电容和能量密度，常常将碳材料与过渡金属化合物或导电聚合物复合。例如，Nguyen等人将氧化石墨烯与氧化镍复合制备复合纳米颗粒，其比容量高达1328F/g，循环使用2000次后，其比电容仍保持87％，表现出良好的循环稳定性(Nguyen B T,et al.,Facile synthesis of three-dimensionalgraphene/nickel oxide nanoparticles composites for high performancesupercapacitor electrodes.Chem,Eng,J,2015,264,603)。Fan等人在静电作用下，将聚苯胺空心球负载在石墨烯上形成复合电极材料，其比电容高达614F/g(Fan W,et al.,Graphene-wrapped polyaniline hollow spheres as novel hybrid electrodematerials for supercapacitor applications,ACS Applied MaterialsInterfaces,2013,5,3382)。为了进一步提高碳材料电极的比电容和能量密度，各种各样的复合材料被研究并应于超级电容器的应用中。碳材料与其他材料之间的复合主要是通过物理共混的方式，其之间的作用力主要为静电引力或范德华力。然而两者之间以共价键的形式复合却无相关报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种氮掺杂中空碳纳米线接枝聚吡咯的制备方法及其用途。

一种氮掺杂中空碳纳米线接枝聚吡咯的制备方法，其包括如下步骤：

S1、利用溶胶-凝胶和热致相分离结合的方式制备SiO₂纳米线；

S2、将糠醇、乙醇、水和所述SiO₂纳米线混合，滴加硫酸，在90℃下进行反应，经过冷却、水稀释、离心和干燥，得到固体产物，将所述固体产物在氩气的保护下，以1～2℃/min的速率加热至180～220℃，保温3～4h后，以2～3℃/min的速率升温至600～650℃，保温6～8h后，将产物浸泡在氢氟酸中，去除模板SiO₂，洗涤、干燥得到中空碳纳米线；

S3、将苯胺、盐酸、十二烷基硫酸钠和所述中空碳纳米线混匀后，将滴加过硫酸铵溶液，在3～5℃下反应后，得到聚苯胺/中空碳纳米线复合材料；