[发明专利]一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用

说明书

本发明属于电极材料技术领域，尤其涉及一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用，包括步骤：(1)将植物茎脱除木质素并漂白；(2)将脱除木质素的植物茎分别在氧化剂溶液和吡咯溶液中多次真空浸渍，引入导电聚合物PPy，制备多孔碳复合材料前驱体植物茎/PPy复合材料；其中，对体系抽真空再恢复常压即完成一次真空浸渍；(3)将植物茎/PPy复合材料通过高温碳化和活化。本发明的有益效果是：以植物细胞为天然模板，引入导电聚合物PPy，在植物细胞限域内构筑具有特殊形貌的导电聚合物PPy，具有比电容高、比表面积大、杂元素含量高、工艺简单等特点，可用于超级电容器电极的制备材料。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，尤其涉及一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

近年来随着煤炭、石油等大量不可再生能源的使用，不仅使全球能源面临不断枯竭的局面，也因使用化石能源造成严重的环境污染。为解决这一系列问题，优化能源结构，减少对不可再生能源的依赖，核能、光能、风能等可再生能源进入人们的视线。但为了满足全球日益增长的能源需求，迫切需求高性能的能源储存装置，而超级电容器成为研究者重要选择之一。

目前超级电容器依据储能原理的不同主要分为双电层电容器和赝电容器，其中双电层电容器的电极材料主要为多孔碳材料。多孔碳材料的来源非常广泛，如纳米碳材料、煤炭、废弃生物质等等，其中因生物质产量巨大，来源广泛，价格低廉成为超级电容器多孔碳材料主要来源。虽然以生物质为基础制备的多孔碳材料因其自身含有氮、磷等元素使其能够在制备多孔碳过程中完成自掺杂，但也有很多不足，如形貌单一，自身碳化后孔隙大、杂元素含量低等，最终使制备的多孔碳材料的储能性能并不好。因此改性生物质衍生多孔碳材料成为研究者们主要的研究方向，目前主要的方式有元素掺杂、酸碱活化剂活化等，而利用填充物在碳化过程中收缩的牵扯作用来缩小植物茎内部大孔道，达到合适尺寸并完成增大材料比表面积、增加表面粗糙度等微观形貌改变的功能的同时，完成N元素掺杂增加衍生碳材料与电解质的润湿性的方式鲜有报道。

中国专利CN107195480A提供一种柔性多孔碳材料及其制备方法与应用，以柔性生物质材料为基底，其上负载聚合物单体，进行聚合反应，得复合材料；将复合材料置于300℃～1200℃的温度下，碳化处理，即得柔性多孔碳材料；该方法操作简单，可控性强，得到的柔性多孔碳材料的比表面积高，孔径为0.2nm～200nm，优选0.2～10nm，实施例中BET比表面积为1000m²/g。但是，负载导电聚合物以涂刷、滴加方式为主，适用对象为薄片式材料，适用材料有限，并且负载的导电聚合物绝大部分都分布在基体表面，并不能明显提升材料比表面积、充分利用材料内部空间，电容性能有待提升。

本发明针对生物质衍生多孔碳材料形貌单一，碳化后生物质碳孔隙过大、电容性能低等问题，提出了一种在植物细胞内部限域构筑聚吡咯的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用，以植物细胞为天然模板，通过预处理植物茎叶，依次引入氧化剂与吡咯单体，在植物细胞限域内构筑具有特殊形貌的导电聚合物PPy，制备复合前驱体，并通过高温碳化和活化得到多孔碳复合材料，可用于超级电容器电极的制备材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料的制备方法，包括步骤：(1)将植物茎脱除木质素在细胞壁上造孔并漂白；(2)将脱除木质素的植物茎依次在氧化剂溶液和吡咯溶液中多次真空浸渍，分步引入氯化铁和吡咯，在植物茎细胞内原位聚合PPy，制备植物茎/PPy复合材料，并将此复合材料作为多孔碳材料前驱体；(3)将植物茎/PPy复合材料通过高温碳化和活化制备多孔碳材料。