[发明专利]一种基于多孔芳香骨架的形貌可控的碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明是公开一种基于Sonogashira‑Hagihara偶联缩聚反应控制多孔芳香骨架材料形貌的方法。四(三苯基磷)钯和碘化亚铜作为催化剂，三乙胺和N,N'‑二甲基甲酰胺作溶剂，通过控制单体1,4‑二溴萘和1,4‑二乙炔基苯的投料比，得到形貌可控的管状多孔芳香骨架T‑LNU和块状多孔芳香骨架B‑LNU，将其直接碳化后得到的多孔碳材料T‑LNU‑X或B‑LNU‑X应用于超级电容器的电极材料中，具有中空管状结构的电极材料更有利于电解液浸入管状内部和电子传输。通过简单改变原料投料比，产物形貌可控，碳化后不破坏形貌，操作简单、对环境友好、适用广泛。本发明为定向制备形貌可控的多孔碳材料和提高电化学性能提供新的方法。

技术领域

本发明属于化学及新材料技术领域，具体涉及一种基于多孔芳香骨架的形貌可控碳材料的制备方法和在超级电容器领域中的应用。

背景技术

随着世界的快速发展，对能源的需求越来越大，人们渴望寻求稳定并可再生的绿色能源。其中，超级电容器作为一类新型的电化学储能设备，具有快速充放电速度、持久循环稳定性和工作环境要求低等众多优点，近年来受到人们的广泛关注。电极材料作为构成超级电容器的重要组成部分，是提高其电化学性能的关键。到目前为止，已有很多材料，例如金属氧化物、金属有机骨架材料、多孔有机聚合物、多孔碳材料等等，可以用于超级电容器中的电极材料。相比其它材料，多孔碳材料具有化学稳定性好、优异的导电性能、均匀的孔道分布等特点受到广泛关注。多孔碳材料通常由其它含碳骨架材料作为前驱体高温碳化处理制备。其中，多孔芳香骨架材料是通过共价键链接构成的有序排列的有机聚合物，具有比表面积大、孔容大、可修饰性强、超高稳定性以及低的骨架密度等优点，因此越来越多的人把其作为多孔碳材料的前驱体。目前，多孔芳香骨架材料在超级电容器的电极材料领域广泛采用引入杂原子提高其比电容，如氧、氮、硼等，但是这些官能团会自发的参与氧化还原反应进行放电行为，导致电容器出现漏电流以及高扫速下比电容下降快等缺点，甚至有气体的析出，材料造成体积膨胀和坍塌，失去超级电容器循环稳定性的优势。因此，合成具有纯碳骨架的聚合物作为电极材料制备优异电化学性能的超级电容器至关重要。

多孔碳材料的比表面积被认为是影响超级电容器性能的关键因素之一，大孔可以作为离子溶液的缓冲储备池，可以缩短离子扩散的距离来提高离子响应的效率；介孔为离子提供扩散通道，降低扩散内阻；微孔通过双层电容原理提高超级电容器的电容。因此，人们为了获得更加合理、平衡的孔径分布通常采用化学活化法，将材料与活化剂混合在进行高温处理，常见活化剂如：KOH、ZnCl₂、K₂CO₃等等，借助活化剂对材料进行刻蚀，来进一步提高比表面积和丰富孔径分布。但是这些方法通常会造成繁琐的后处理，难以完全去除活化剂，并且会造成环境污染和设备腐蚀。因此，采用直接碳化方式可以有效避免上述问题。高温碳化获得合理孔径分布的同时又可以增加材料的石墨化程度来提高其导电性能。

多孔碳材料的形貌也是影响超级电容器电化学性能的关键因素之一。通常认为具有块状形貌的材料在作为电极材料时容易发生重叠和团聚的现象，使材料有效的比表面积减少，并且不利于电解液离子进入孔道内部增大扩散阻力，从而影响电化学性能；而具有中空管状形貌的材料可以有效的降低材料的密度，同时管状结构有利电子传输，薄壁的管状结构有利于电解液离子快速渗透浸润整个管状内部。因此，我们在反应体系中简单调整反应单体的投料比，其它反应条件不变，成功合成形貌可控的多孔芳香骨架材料，将其作为前驱体通过直接高温碳化方式，制备得到的多孔碳材料仍保持其初始形貌。本发明操作简单、对环境友好、适用广泛，为定向制备形貌可控的多孔碳材料和提高超级电容器的电化学性能提供了新的方法。

发明内容：

本发明的目的提供一种简便可行的方法制备形貌可控的多孔芳香骨架材料，将其高温碳化后作为电极材料应用于超级电容器领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于多孔芳香骨架的形貌可控碳的材料，结构式如(Ⅰ)所示，