[发明专利]一种氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法和用途，特别涉及一种基于芳香腈聚合物/碳纳米的电极材料、制备方法和使用其的超级电容器。

背景技术

碳基超级电容器通过电解液离子在电极材料的表面形成双电层来存贮电荷，因此并不像电池一样受到电化学反应速率的限制，从而具有快速充放电的特点，并且能保持上百万圈的循环次数。然而目前阶段，存贮在超级电容器中的电能比电池要低一个数量级，从而限制了超级电容器的商业应用范围。因此，现在针对超级电容器的研究，主要是在不削弱器件循环寿命和功率密度的前提下，努力提高器件的能量密度。因此，研究具有高比电容特性的活性物质作为超级电容器的电极材料显得非常重要。

解决这一问题的研究主要集中于提高材料的比表面积，但是即便对于那些具有非常高的比表面的材料，它们的比容量依然是较低的。在碳材料中引入氮基团，不仅可以改变材料的导电性和浸润性，而且可以增加材料电化学活性。本发明可以在碳材料体系中均匀地引入含氮基团，是一种较理想的提高材料比电容特性的方法。

目前使用电容器电极材料多为粉末材料，需要粘合剂粘连在一起，用这种方法制备的电极如果厚度过大，会造成电解液通路的阻塞。

本领域需要开发一种具有三维导电网络，，电解液流通顺畅，且能够提高超 级电容器整体性能的材料、制备方法和用途。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明采用了芳香腈类聚合物与碳纳米材料复合方法，碳纳米材料的引入不仅能提供有效电解液流通，而且会增强材料体系的导电网络，进而提高超级电容器的整体性能，获得高比电容、循环性能稳定的超级电容器电极材料。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于芳香腈类聚合物的碳纳米复合材料作为超级电容器的电极材料。本发明提供的碳纳米复合材料具有丰富的形貌结构、高比表面积、均匀的电子传输网络结构和丰富的氮含量。

本发明通过如下具体方案实现：

一种氮掺杂碳纳米复合材料，所述复合材料具有导电网络结构，氮元素参与导电网络骨架的形成；

所述导电网络结构由芳香腈化合物单体与碳纳米材料原位聚合后得到，或者所述导电网络结构由芳香腈化合物单体的预聚体与碳纳米材料聚合后得到。

通过使用芳香腈化合物单体为基本单元合成得到的芳香腈聚合物具有高氮元素含量和均匀的氮元素掺杂的优异特性，同时使用碳纳米材料作为基本骨架，使其具有了丰富的导电网络，良好的机械性能，高比表面积和均匀分布的孔结构的特点，进一步的高温热解使其导电性大大提高，得到的氮掺杂碳纳米复合材料用作超级电容的电极材料，表现出良好的循环稳定性和倍率性能。

本发明提供的氮掺杂碳纳米复合材料中，氮元素参与网络骨架的形成，使得所述复合材料具有较高的赝电容，亲水性好，在制备超级电容器电极材料时，使得电极材料的电解液流通性好。

本发明提供的氮掺杂碳纳米复合材料中，网络结构能够增加所述复合材料的导电性，同时提高其比表面积，改善所述复合材料的比电容。

本发明所述原位聚合是指以芳香腈化合物单体为聚合单体，碳纳米材料从聚合一开始就与芳香腈化合物单体混合进行聚合反应；而本领域技术人员也可以将芳香腈化合物单体先聚合为预聚体，之后再加入碳纳米材料，与芳香腈化合物单体的预聚体反应，进行聚合，得到目标物。

本发明所述的芳香腈化合物单体为氰基取代的芳香族化合物优选地，所述芳香腈化合物单体为氰基取代的芳香环化合物或氰基取代的芳香杂环化合物。

优选地，所述氰基取代的芳环化合物为苯甲腈、对苯二甲腈(p-DCB)、邻苯二甲腈(o-DCB)、间苯二甲腈(m-DCB)和1,3,5-三氰基苯(TCB)中的任意1种或至少2种的组合。

优选地，所述氰基取代的芳香杂环化合物，杂原子优选为氮原子，优选为氰基取代的吡啶，氰基取代基的个数至少为2个，优选为2-4个。

典型但非限制性的为：2-氰基吡啶、3-氰基吡啶、4-氰基吡啶、2,4-二氰基吡啶(2,4-DCP)、4,4’-二氰基联苯(DCBP)和2,6-二氰基吡啶(2,6-DCP)中的任意1种或至少2种的组合，进一步优选为4-氰基吡啶。

本发明所述复合材料采用芳香腈化合物单体作为制备聚合物的单体物质，因为含有氰基，使得所述芳香腈化合物容易发生聚合及重排反应；又因为含有芳香环或芳香杂环，使得发生聚合和重拍后的产物是连续的大π体系结构，利于电子的传输。