[发明专利]一种聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明一种聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料及其制备方法和应用，属于材料合成技术领域。本发明采用一锅法制备聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠/碳酸钙水凝胶复合材料，进行冷冻干燥后，采用盐酸将聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠/碳酸钙水凝胶复合材料的表面碳酸钙颗粒刻蚀完全，得到具有三维多孔结构的聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料。本发明提出的聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料的制备方法简单易行，该复合材料用于超级电容器电极时，具有较高的比电容和较好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器因其具有高能量密度、快速充放电速率、高倍率性能等优点，而被认为是储能领域极具有发展前景的产品，但其有限的功率密度和循环寿命，仍然不足以满足日益增长的新型储能设备的需求。根据电荷存储原理的不同，超级电容器主要分为两类：电化学双电层电容器和赝电容器。前者通过离子吸附在电极表面以静电方式储存电荷，通常采用表面积较大的碳材料作为电极材料；而赝电容器的电容来源于界面上的快速可逆的氧化还原反应过程，通常采用过渡金属氧化物、硫化物、氢氧化物及导电聚合物作为电极材料。为获得高而稳定的比电容关键在于设计电活性材料，现有技术往往通过控制其微观结构，如比表面积和孔隙等特征，提高电极材料的电化学性能。

因此，许多研究人员采用了导电聚合物、聚吡咯等赝电容材料，其中导电聚合物因其合成方便和高导电性而受到研究人员的关注。聚吡咯因其具有赝电容较大、合成简单、成本低等优点，被广泛地应用于超级电容器电极材料的研究。然而，聚吡咯在高速循环过程中由于离子的反复掺杂/脱掺杂引起体积变化，从而导致循环稳定性变差。因此，我们可以将聚吡咯与其他具有较强机械性能的材料进行复合来提高其比电容和稳定性。

近年来，二维过渡金属碳化物和氮化物(也称为MXenes)，由于其优异的电化学性能而得到广泛的关注。其通用分子式为M_n+1X_nT_x(n＝1，2，3)，其中M表示过渡金属，X表示碳或氮原子，T表示表面终止官能团(-OH，-O，-F)；MXenes具有电化学活性中心，这些活性中心来源于具有不同价态的过渡金属的快速转化和表面终止官能团的快速氧化还原反应，其电导率高达10000S cm^-1。其中二维碳化钛作为超级电容器电极材料引起了极大的关注。除此之外，它还具备高倍率性能、高功率密度、优异的循环稳定性和高能量密度等电极材料的优异特质。然而，与石墨烯一样，由于二维碳化钛相邻纳米片之间存在强烈的范德华相互作用，从而发生自聚集，严重地阻碍了电解质离子的渗透，限制了二维碳化钛电极材料的电化学性能和实际应用。为解决这些问题，人们制作了二维碳化钛与其他高比电容化合物的异质结构电极材料，以此来增大二维碳化钛的层间距，从而提高其电化学性能。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料及其制备方法和应用，本发明具有三维多孔的聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料不仅可以促进电子和电解液离子的转移，还结合了聚吡咯与二维碳化钛的高比电容等优异特质。因此，聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料作为超级电容器电极材料具有巨大的潜力。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料的制备方法，采用一锅法制备聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠/碳酸钙水凝胶复合材料，进行冷冻干燥后，采用盐酸将聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠/碳酸钙水凝胶复合材料的表面碳酸钙颗粒刻蚀完全，得到具有三维多孔结构的聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料。

一种聚吡咯/二维碳化钛/海藻酸钠气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：