[发明专利]聚丙烯腈/聚酰亚胺基复合碳气凝胶电极材料及制备方法

摘要

本发明属于储能材料技术领域，具体为一种聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基复合碳气凝胶电极材料及其制备方法。本发明的复合电极材料以静电纺聚丙烯腈纳米纤维和聚酰胺酸高分子为前驱体，借助自组装过程、冷冻干燥技术、热亚胺化和碳化等方法制备得到。其中，预氧化的聚丙烯腈纳米纤维表面拥有十分丰富的含氧官能团，所以极易与聚酰胺酸分子链上的羧基进行结合，从而发生自组装过程。所制备的复合碳气凝胶电极材料是由一维碳纳米纤维和二维片状碳所构成的三维复合材料，极大地提升了材料本身的比表面积，为电荷的高效吸附提供了更多的活性位点，拓宽了该类材料的应用范围。本发明复合电极材料可广泛应用于超级电容器、锂离子电池等能量存储领域。

主权项

1.一种聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基复合碳气凝胶电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）在机械搅拌下，配制聚丙烯腈PAN纺丝液；（2）采用静电纺丝法，制备聚丙烯腈纳米纤维膜；（3）通过程序升温，对步骤（2）制备的聚丙烯腈纳米纤维进行预氧化，得到表面有含氧基团的氧化聚丙烯腈纳米纤维膜，记为o‑PAN纳米纤维膜；（4）在高速搅拌下，将步骤（3）制备的氧化聚丙烯腈纳米纤维膜进行均匀分散，得到聚丙烯腈纳米纤维的分散液；（5）将水溶性聚酰胺酸高分子溶解在去离子水中，搅拌得到聚酰胺酸溶液；（6）将步骤（4）和步骤（5）的溶液混合、搅拌，得到高度分散的o‑PAN纳米纤维和聚酰胺酸的共混分散液；（7）将步骤（6）得到的分散液在冰箱或液氮中冷冻为固体，随后在冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸复合气凝胶，记为o‑PAN/PAA；（8）将步骤（7）得到的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰胺酸复合气凝胶在氮气保护下，进行热亚胺化和碳化两个步骤，最终得到聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基复合碳气凝胶电极材料，记为oP；（9）将步骤（8）得到的聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基复合碳气凝胶电极材料与无水氢氧化钾进行研磨均匀后，在氮气保护下，进行活化，所得材料记为A‑oP；步骤（3）中所述的程序升温，升温速率为1~2℃/min，升至平台温度230~280℃后保持1.5‑2.5h；步骤（4）中，对预氧化的聚丙烯腈纳米纤维的高速搅拌借助型号为IKA T25的匀浆机实现，搅拌速度为15000~21000 r/min，搅拌时间为20~40 min；步骤（6）中，所述的分散液总固含量为2~4%，且PAA的质量分数为大于0且小于等于34%；步骤（8）中，所述的热亚胺化过程的具体参数如下：以1‑2 ℃/min的升温速率从室温升至300 ℃，并分别在100 ℃、200 ℃、300 ℃ 保持0.5 h、0.5 h、1 h，然后自然降至室温；所述的碳化过程的具体参数如下：以4.5‑5.5 ℃/min的升温速率从室温升至800~1400 ℃，保持0.5~2 h，然后自然降至室温；步骤（9）中，聚丙烯腈纳米纤维/聚酰亚胺基复合碳气凝胶材料与无水氢氧化钾固体之间的质量比为1:3.5‑1:4.5；所述的活化过程的具体参数如下：以8‑12 ℃/min的升温速率从室温升温至440‑460 ℃，保持0.8‑1.2h，继续升至730 ‑750℃保持2.5‑3.5h，然后自然降至室温。