[发明专利]一种聚苯胺纳米线/分级多孔碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明是属于新能源材料领域，涉及一种可以用作超级电容器电极材料的一种聚苯胺纳米线/分级多孔碳复合材料的制备方法。

背景技术

随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注。超级电容器作为一种新型的储能器件，具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和宽使用温度范围等特点，其在电力、绿色能源、航空航天领域的各种快速大功率启动系统、无人值守与移动能源系统、后备电源系统等方面都有着极其重要的应用价值。特别是环保型电动汽车的兴起，大功率的超级电容器显示了前所未有的应用前景。因此，超级电容器正在被越来越多的国家和企业争相研制和生产。电极材料是影响超级电容器性能的重要因素。超级电容器的电极材料主要有：高比表面积的碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物等。

高比表面积的碳材料是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来实现能量储存的，这种储能是通过电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，因此具有良好的循环稳定性和较高的比功率密度。但是由于低的比能量密度限制了其在实际中的应用。导电聚合物是利用氧化还原反应，掺杂态和去掺杂态相互变换来存储能量的。因此导电聚合物不仅在界面处而且在整个体积内都存在高密度的电荷，具有高的比能量密度。但是由于其在能量储存过程的氧化还原反应使得循环稳定性很差，这也阻碍了其在实际中的应用。其中聚苯胺由于价格低廉，原料易得，良好的导电性等优点使其在超级电容器电极材料方面受到了广泛的关注。

为了能够满足超级电容器的实际应用需要，设计一种具有高比能量密度、比功率密度和良好循环稳定性的电极材料成为了当前的主要问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种制备聚苯胺纳米线/分级多孔碳复合材料的方法，以克服现有技术所存在的上述缺陷。

本发明的构思是这样的：

由上面的分析可知，使用聚苯胺修饰碳材料既可以利用碳的双电层电容又可以利用聚苯胺的法拉第准电容，从而显著提高电容器的比容量和循环稳定性。Frackowiak等人（E. Frackowiak., et al. J. Power. Sources, 2006, 153, 413）利用各种不同的导电高分子与多壁碳纳米管复合制备双电层电容器电极，实验表明适量碳纳米管可以有效地提高电极的比容量，最高可以达到320F/g。Chen等（W.C. Chen.,et al. Electrochimica Acta, 2003, 48, 641）研究者通过电化学聚合，在多孔活性炭表面沉积了一层均匀的聚苯胺，将活性炭的比容量从95提高到160F/g。因此利用导电高分子/碳纳米复合材料做电极材料，可以显著地提高电极性能。

但到目前为止，关于聚苯胺修饰多孔碳的报道却极少，最近有Zhao等（Zhibin Lei, et al. J. Phys. Chem, 2010, 114, 19867）研究者通过化学氧化聚合的方法在空心碳球的表面沉积一层聚苯胺，大大地增强了空心碳球的电化学性能。Zhang等人（Lili Zhang, et al. Chem. Mater, 2010, 22, 1195）利用电化学沉积的方法在三维有序大孔碳的表面沉积一层聚苯胺来增强它的电化学性能，研究发现最大的比容量可达到352F/g，这大大地增加了它的比容量。但是这两种方法都只是在多孔碳的外表面包覆或者沉积一层聚苯胺，并没有考虑聚苯胺的形貌对复合材料的电化学性能的影响，同时直接在分级多孔碳表面包覆聚苯胺会大大地降低复合材料的比表面积，使得分级多孔碳的双电层电容行为不能充分发挥，导致其循环稳定性下降。为了解决上述问题，我们利用脱除模板的空心介孔硅/碳作为载体，采用无模板法通过化学氧化聚合生长聚苯胺纳米线，最后用氢氟酸脱除硅模板后得到聚苯胺纳米线/分级多孔碳的复合材料。这样可以避免分级多孔碳中的介孔孔道被聚苯胺堵住而减小它的比表面积，影响其双电层电容性能，同时，我们制备的聚苯胺纳米线在分级多孔碳球外表面均匀生长成阵列结构，可以减小电解液离子的运输阻力，增加其法拉第准电容。

本发明是通过以下技术方案实现的：首先将制备的空心介孔硅/碳超声分散到一定量的高氯酸溶液中，加入一定量的苯胺单体后继续超声一段时间使苯胺充分分散。然后将预先冷却好的过硫酸铵的高氯酸溶液缓慢滴加到上述混合体系中，在冰水浴中搅拌反应一段时间后得到黑色液体，经过抽滤、洗涤、干燥得到黑色粉末。最后用一定浓度的氢氟酸脱除模板，得到聚苯胺纳米线/分级多孔碳的复合物。

具体方案如下：