[发明专利]一种聚合物基炭材料及其微孔结构的调控方法

说明书

本发明公开了一种聚合物基炭材料及其微孔结构的调控方法，属于纳米材料技术领域，以苯胺和3‑氨基苯硼酸为反应单体，并加入不同含量的聚乙烯醇，采用低温氧化聚合制得不同聚乙烯醇含量的共聚物；将所述共聚物高温热解制得不同微孔骨架的聚合物基炭材料；本发明开创性地在不引入其他碳源的条件下，通过分子水平设计实现了炭材料微孔结构的设计与精细调控，所制得微孔炭材料作为电极材料在超级电容器等储能领域有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种聚合物基炭材料及其微孔结构的调控方法。

背景技术

纳米孔炭材料因其具有高比表面积、骨架导电性好、孔结构可调等特点而在能源、环境、催化等领域有着广泛的应用。纳米孔炭材料孔结构对性能的发挥起着至关重要的作用。比如，当其作为电极材料应用于电池超级电容器等电化学储能领域，则需要在较大尺寸范围内对材料的孔隙率进行合理调控，从而实现电化学性能的优化。因此，研究者通过活化法、软/硬模板法、直接碳化法、改变碳化工艺等策略来调控炭材料的比表面积与孔隙率。目前，大量研究集中在如何提高比表面积、微孔孔隙率以及构筑与控制介孔、大孔结构等方面。比如，利用化学活化法(如KOH)，可以形成炭骨架内发达的微孔结构，从而获得极高的比表面积(大于3000m²/g)；借助硬模板灌注或者软模板涉及的嵌段聚合组自组装，可以实现在介孔至大孔范围内孔结构的灵活调控。

然而，与增加表面积和孔隙率相比，如何在一定程度上有效降低炭材料比表面积和炭骨架内微孔孔隙率的研究非常缺乏，也是本领域内的挑战。其原因在于大部分多孔炭骨架是无定形的，由大量乱层堆垛的类石墨微晶与丰富纳米孔构成。对于给定的前驱体，通过改变碳化条件(例如更高的热解温度)，可以在一定范围内增加无定形类石墨微晶尺寸，降低炭骨架内的微孔孔隙率。然而，高温处理不仅提高了成本，而且还引起表面化学，导电性和其他微结构的同时变化，使得对于性能的研究更加复杂。此外，基于碳化工艺获得的低孔隙或无孔炭材料很难实现在分子水平上对炭骨架孔隙率调控，限制了其结构的灵活设计。近年来，有研究者致力于通过前驱体的分子水平设计实现炭材料孔结构的设计调控，比如通过控制聚吡咯分子链的共轭长度，在相同碳化工艺和较低碳化温度条件下，在相对较低碳化温度(800℃)下成功实现了其衍生炭材料从微孔到无孔炭骨架的转变(J.Mater.Chem.A,2013,1,5001)。然而，受限于分子结构设计困难，此类炭骨架的调控只能实现微孔(比表面积为482m²/g)与无孔两种极端情况的调控。在聚合物构筑炭材料中，如何通过更为灵活的分子设计，系统地实现炭材料孔结构从微孔到无孔结构的精确调控，依然鲜有报道且为该领域长期以来亟待突破的难题。

发明内容

本发明提供了一种聚合物基炭材料及其微孔结构的调控方法，解决了上述技术问题。

本发明目的是提供一种聚合物基炭材料微孔结构的调控方法，包括以下步骤：

以苯胺和3-氨基苯硼酸为反应单体，并加入不同含量的聚乙烯醇，采用低温氧化聚合制得不同聚乙烯醇含量的共聚物；将所述共聚物高温热解制得不同微孔骨架的聚合物基炭材料。

优选地，所述共聚物由以下步骤制得：

将有机单体苯胺、3-氨基苯硼酸和盐酸混合，搅拌使其分散均匀，而后加入聚乙烯醇，搅拌均匀，得混合物；将所述混合物冷却至0℃，加入0℃的引发剂，搅拌均匀，0℃条件下静置反应5～7h后，将产物洗涤、干燥，得到共聚物。

优选地，所述3-氨基苯硼酸和苯胺的用量比为(0.045～0.105)g：1ml，所述聚乙烯醇与苯胺的用量比为(0～2.234)g:1ml，所述盐酸与3-氨基苯硼酸质量比为2～5:1，所述引发剂与苯胺用量之比为(2.574～2.7)g：1ml。

优选地，所述引发剂为过硫酸铵。

优选地，所述聚合物基炭材料由以下步骤制得：