[发明专利]超级电容器的聚吡咯/石墨型氮化碳电极材料及制备方法

说明书

一种超级电容器的聚吡咯/石墨型氮化碳电极材料及制备方法，属于超级电容器电极材料领域。该材料为复合结构，用PPy/g‑C₃N₄表示。该复合材料的制备方法主要包括：1、使用尿素做原料，制备石墨型氮化碳，并超声剥离获得类石墨烯的片层结构；2、以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，肌醇六磷酸(PA)为掺杂酸，将氮化碳加入到吡咯的聚合体系中，原位聚合聚吡咯，得到聚吡咯/石墨型氮化碳复合材料。优点：该聚吡咯/石墨型氮化碳用于超级电容器电极材料时，其比电容高，能量密度大，相比单一聚吡咯材料具有规则的尺寸更小的微球结构，约100‑200nm；原料简单，成本低；制备工艺操作简便易行，无需复杂的合成设备，有利于工业化应用。

技术领域

本发明涉超级电容器电极材料领域，特别是一种超级电容器的聚吡咯/石墨型氮化碳电极材料及制备方法。

背景技术

超级电容器是一种重要的储能设备，具有高容量和比能量、高功率密度和更长的循环寿命以及更宽的工作温度范围等特点，使其在国防军工、航空航天、交通运输、能源发电、电子信息以及仪器仪表等众多领域都具有广阔的应用前景，也成为了目前全球的研发热点。

超级电容器又称电化学超级电容器，它具有法拉级的超级电容量，比同体积的电解电容器容量大2000-6000倍，功率密度比电池高100倍，充放电效率高，充放电循环次数可达10⁵次以上，并且免维护。此外，还具有对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围安全性高等特点。与氢动力汽车、混合动力汽车和电动汽车的发展密切相关，与燃料电池、锂离子电池等能量供给器件相结合，能够满足启动、爬坡等条件下的瞬间高功率需求。

电极材料是超级电容器中最关键的组成因素，决定了超级电容器的性能。聚吡咯(PPy)是典型的导电聚合物，具有良好的电化学性能和较高的电导率，是一种极具发展潜力的超级电容器赝电容材料。另外，聚吡咯(PPy)具有原料易得、合成简便、成本低廉、环境稳定性好、电导率高且变化范围大等优点，具有广阔的应用前景，因此非常适合用作超级电容器电极材料。纳米尺度的聚吡咯微球材料有利于电解液的浸入和离子的传输。大比表面积和高的孔隙率，能够显著提高聚吡咯用作超级电容器电极材料的性能。然而，传统的导电聚吡咯作为超级电容器电极材料时，存在比电容小及循环稳定性差等缺点。

石墨型氮化碳(g-C₃N₄)为一种新型的类石墨片层结构，具有富氮、富碳的特点。将聚吡咯和氮化碳材料复合后，可以通过协同作用将氮化碳材料优良的电学性能、机械性能、热稳定性能与聚吡咯优良的电学性能结合起来。氮化碳是一种新型的聚合物材料，被认为是在室温条件下各种CN结构最稳定的同素异形体，且具有类石墨的片层结构。它往往结晶良好，便于电荷转移，这是由于层状结构和高氮含量的特点。因此，与g-C₃N₄的复合可以得到更高的电容量和更好的稳定性。因此，聚吡咯与石墨型氮化碳复合有望获得性能优良的超级电容器电极材料。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种原料简单、成本低、制备工艺操作简便易行的超级电容器的聚吡咯/石墨型氮化碳电极材料及制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：聚吡咯/石墨型氮化碳电极材料为微球状形貌，该复合结构为石墨型氮化碳片层与聚吡咯原位聚合形成，该复合材料的原材料吡咯与石墨型氮化碳的质量比为4：1～12：1；材料用PPy/g-C₃N₄表示。

本发明采用如下步骤制备用于超级电容器的聚吡咯/石墨型氮化碳复合电极材料：

(1)使用尿素作为原料，10-20℃/min的升温速率下，升温至500-600℃，保温2-4h后取出，自然冷却至室温，即可直接得到片层累积的石墨型氮化碳；