[发明专利]基于星状嵌段共聚物的自支撑多级孔碳材料的制备方法和应用

说明书

本发明涉及基于星状嵌段共聚物的自支撑多级孔碳材料的制备方法和应用，以超支化聚酯H40为大分子引发剂，两步可逆加成‑断裂链转移聚合法制备星状聚酯‑star‑(聚丙烯酸叔丁酯‑b‑聚丙烯腈)嵌段共聚物(H40‑star‑(PtBA‑b‑PAN))，利用静电纺丝手段得到自支撑聚合物膜，通过热交联和高温煅烧制备自支撑多孔碳膜，并对其形貌和结构进行分析。碳化后的多孔碳膜作为柔性电极材料，在柔性固态超级电容器领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，具体涉及基于星状嵌段共聚物的自支撑多级孔碳材料的制备方法和应用。

背景技术

在过去的几十年中，寻找清洁和可再生的电化学储能器在学术和工业领域都引起了极大的关注。超级电容器具有快速充电/放电速度快，功率密度高，循环寿命长等诸多优点，是一种很有前途的储能设备。随着可穿戴电子设备的发展，柔性多孔碳材料已成为最重要的组成部分，用于电化学电极材料。

迄今为止，已经引入了包括界面合成，自组装方法，化学气相沉积方法，喷墨印刷和电纺丝技术在内的各种技术来构建自支撑电极膜。其中，静电纺丝是一种简便且通用的方法，用于生产具有一维(1D)纳米纤维结构的自支撑碳膜，可沿长轴提供独特的电子传输，适用于超级电容器领域。因此，构建具有合理的多级孔碳结构的自支撑碳材料对获取高电容性能的超级电容器非常重要。

然而现有线性嵌段共聚物胶束在溶液中不稳定，不利于静电纺丝操作，因此高温碳化后的碳材料不具有均匀的多级孔结构，无法满足柔性固态超级电容器使用要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有嵌段共聚物的缺陷而提供一种基于星状嵌段共聚物的自支撑多级孔碳材料的制备方法和应用。

本发明以超支化聚酯H40为核，聚丙烯酸叔丁酯和聚丙烯腈为壳的新型星状嵌段共聚物，静电纺丝成聚合物膜后，在高温碳化下该聚合物膜可转化为自支撑多级孔碳材料，由于其多级孔结构和高导电性，可成功应用于柔性固态超级电容器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于星状嵌段共聚物的自支撑多级孔碳材料的制备方法，以超支化聚酯为大分子引发剂，通过两步可逆加成-断裂链转移聚合法制备星状聚酯-star-(聚丙烯酸叔丁酯-b-聚丙烯腈)嵌段共聚物，利用静电纺丝手段得到自支撑聚合物膜，通过热交联和高温煅烧制备自支撑多孔碳膜，碳化后的多孔碳膜作为柔性电极材料。

自支撑多级孔碳材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)合成大分子引发剂：将干燥过夜的超支化聚酯Bolton H40溶于N-甲基吡咯烷酮，冷却，在搅拌下加入2-溴异丁酰溴，升温至室温进行反应，反应产物经萃取、沉淀、干燥，得到H40-Br；将黄原酸乙酸钾溶于丙酮中，搅拌下加入H40-Br，反应后进行萃取、沉淀、干燥，得到H40-RAFT；

(2)制备星状嵌段共聚物H40-star-(PtBA-b-PAN)：在惰性环境和真空条件下，将得到的H40-RAFT、偶氮二异丁腈、丙烯酸叔丁酯单体混合，并加入N,N-二甲基甲酰胺，进行冷冻-熔融-冷冻-熔融-冷冻-熔融，熔融后的反应液进行反应，反应结束后通入空气，加入低温的甲醇和去离子水，得到乳浊液进行离心，倒去上清液，干燥得到H40-star-PtBA；

在氮气保护下将偶氮二异丁腈、H40-star-PtBA、丙烯腈单体混合，并加入N,N-二甲基甲酰胺，进行冷冻-熔融-冷冻-熔融-冷冻-熔融，熔融后的反应液进行反应，反应结束后通入空气，加入低温的甲醇和去离子水，得到的沉淀物进行真空抽滤、干燥得到H40-star-(PtBA-b-PAN)；