[发明专利]一种用于超级电容器电极的共轭木质素及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器电极的共轭木质素及其制备方法，属于生物质电容器电极材料制备技术领域。本发明通过将酰基化或酯化试剂作为反应试剂，用于在酸性条件下保护木质素的酚羟基，随后在有机酸溶剂中将反应得到的酚羟基被保护的木质素与共轭交联剂发生取代反应交联制备得到具有共轭结构的木质素，并将所得的共轭木质素作为阴极材料应用到超级电容器中，能够使得电容器具有高储电性能和高功率密度；同时，本发明申请公开的共轭木质素制备方法简单易行、生产效率高，适于工业化生产，具有良好的发展前景。

技术领域

本发明属于生物质电容器电极材料制备技术领域，尤其涉及一种用于超级电容器电极的共轭木质素及其制备方法。

背景技术

最近，在绿色植物新陈代谢能量转换过程中，科学家发现邻酚/邻醌体系具有较高的理论比电容，其储电原理是利用氢离子在醌基上的结合/脱除，通过可逆氧化还原反应提高材料的赝电容。木质素及其衍生物与导电聚合物复合材料的研究受到广泛关注，但该类储电材料的能量密度和功率密度不能满足电子柔性器件的需求，解决问题的本质在于进一步增加储电材料单位质量(或面积、体积)上电荷的存储容量或缩短其充放电时间。

木质素是仅次于纤维素的最丰富的天然有机三维酚类化合物由碳-碳(C-C)或醚(C-O-C)连接的丙烷单元结构。木质素包含各种活泼的官能团，比如羧基、羰基、羟基以及酮类。目前，关于木质素在储电的应用主要是以下两个方面：(1)以木质素为原料，将木质素与其他导电物质复合，增强其导电性；(2)以木质素作为碳源，将木质素高温碳化，形成多孔碳构，做成超级电容。

这两种方法虽然有效的利用了木质素，但第一种方法只是将木质素与导电物质进行物理掺杂，虽然提高了导电性，再依赖于木质素本身的储电能力，可以作为一种储电材料，但由于两者只是物理层面的复合，在反复的充放电过程中，会因为两者不同的热膨胀系数而发生松动，从而导致电容降低；第二种方法还是以碳作为储电的活性物质，只是改变了碳的来源，以木质素作为碳源，虽然使其具有了良好的导电性和循环稳定性，但由于苯环上的酚羟基被碳化了，失去了酚醌结构，导致储电能力大幅下降。

木质素在分离过程中常被破坏，其表观密度仅为1.35～1.50g/cm³，其超分子结构的空间排列并不紧凑。除了C5-C5’连接外，其他的木质素分子间连接键均为非导电传输属性，导致木质素分子内电荷传输内阻较大，阻碍了电荷在邻酚/邻醌体系中的自由传输，从而延长了木质素材料的充放电时间，降低了木质素的功率密度，进而影响超级电容器的性能。

因此，研制一种性能优异，可应用于超级电容器电极的共轭木质素是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为克服上述技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于超级电容器电极的共轭木质素，通过在木质素结构单元间构建共轭的电荷传输网络以利于缩短材料的充、放电时间，进而提高木质素的功率密度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于超级电容器电极的共轭木质素，所述共轭木质素是由酚羟基被保护的木质素与催化剂、共轭交联剂、缚酸剂通过取代反应交联而成；其中，

所述酚羟基被保护的木质素由木质素与反应试剂通过取代反应合成，且所述酚羟基被保护的木质素与所述反应试剂的质量比为(1～2)：(0.5～1.0)；

所述酚羟基被保护的木质素与所述共轭交联剂、所述催化剂、所述缚酸剂的质量比为(1～2)：(0.1～1)：(0.01～0.1)：(0.01:0.1)。

需要说明的是，木质素的芳香环结构单元以共轭的化学键或链段连接。

优选地，所述反应试剂为酰基化或酯化试剂，且所述反应试剂为乙酸酐、三氟乙酸酐、五氟丙酸酐、N-甲基双(三氟乙酸酐)咪唑、甲苯磺酰氯、对甲苯磺酸、乙酰氯和丁酰氯中的一种或多种。