CN107393729A - 一种具有界面共价键链接的聚苯胺‑多孔炭复合电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有界面共价键链接的聚苯胺‑多孔炭复合电极材料及其制备方法，以活性炭为基材，先经硝酸对其活化处理，后用含苯胺基团的偶联剂ND42对其进行功能化处理，再将苯胺在其表面原位聚合，获得具有界面共价键链接的PANI‑AC复合材料。该复合材料的特点为基于共价键结合策略，将具有骨架稳定性的炭材料与具有较高赝电容的导电PANI材料有效而牢固地结合，两种材料之间的相互作用增强，会形成更大的π电子离域体系，使两相间的电子传递也由链间跳跃模式转变为链内的直接传导，进而提高电极材料的性能，非常适合于超级电容器用电极材料。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料及其制备方法。
背景技术
聚苯胺(PANI)作为电极材料，具有较高的赝电容比容量且自放电较少、成本低且具有优良的动力学性能，但载流子(离子等)在聚苯胺材料内部扩散缓慢，导致电容器的功率性能偏低且循环性能较差。活性炭材料具有比表面积大、孔结构发达丰富、电导率高、化学稳定性好且价格低廉等特点，被广泛用于超级电容器电极材料，但其能量密度较低，成为制约其应用的一个瓶颈。
为解决二者作为电极材料的瓶颈问题，将炭材料与导电PANI有效结合，作为一种新型的超级电容器电极材料引起广大科研作者的关注。其关键是如何实现PANI/炭两种材料间的均匀分散，且二者之间具有相当牢固和强度的连接界面，并具有纳米结构的复合材料，有助于提高其作为电极材料的电化学性能。通过调控连接界面，能够实现PANI纳米微纤的均匀分散及结合界面强度较高，进而制备出性能优异的超级电容器用电极材料。
Zhou等(Ying-ke Zhou,Ben-lin He,Wen-jia Zhou,et al.Electrochemicalcapacitance of well-coated single-walled carbon nanotube with polyanilinecomposites[J].Electrochimica Acta,2004,49(2):257-262.)通过原位化学聚合法制备了PANI/单壁CNTs复合电极材料，发现CNTs和PANI颗粒之间形成了紧密的电荷传输混合体，而不是单纯的弱分子连结。这种电子传输混合体降低了离子扩散阻抗，有利于电荷的传输，改善了电极的功率特性。但是该方法不适用于无定型的多孔炭。因此，要想通过构建一种“紧密的电荷传输混合体”来提高PANI-多孔炭复合体系的电化学性能，有必要提出一种新的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料及其制备方法，制备出具有界面共价键链接的多孔活性炭与导电PANI复合材料，该复合材料具有强的界面作用力与呈纳米微纤的聚苯胺阵列，将具有骨架稳定性的炭材料与具有较高赝电容的导电PANI材料有效而牢固地结合，两种材料之间的相互作用增强，会形成更大的π电子离域体系，使两相间的电子传递也由链间跳跃模式转变为链内的直接传导，进而大幅度提高电极材料的性能。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将苯胺加入到磷酸水溶液中，搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液；将苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭分散到透明的磷酸-苯胺水溶液中，搅拌混合后超声分散，得到溶液A；
2)将过硫酸铵溶于磷酸水溶液中，配成溶液B；
3)N2保护下、温度为0～5℃下，将溶液滴加到溶液A中，搅拌反应40～80min，然后静置，得到聚苯胺-多孔炭复合电极材料；
其中，苯胺、苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭与过硫酸铵的比为(3～7)g：(0.5～1.5)g：(2.3～3.2)g。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中苯胺与磷酸水溶液中磷酸的比为(3～7)g：(15～25)g。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭通过以下过程制得：
(1)将硝酸水溶液与活性炭加入到容器中，在50～70℃下回流4～6小时后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤滤出物至中性，干燥，得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，并记作HNO3-AC；其中，硝酸水溶液中硝酸与活性炭的质量比为(10～20)g：(5～10)g；
(2)将HNO3-AC分散在甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的混合液中，超声分散均匀；然后加热至100～120℃下回流反应20～26h后，得到黑色粉末状苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭；其中，HNO3-AC与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的比为(3～7)g：(3～7)mL。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中硝酸水溶液质量浓度为15～20％。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)中甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的比为(80～120)mL：(3～7)mL。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中过硫酸铵与磷酸水溶液中磷酸的比为(2.3～3.2)g：(12～18)g。
本发明进一步的改进在于，步骤1)和步骤2)中的磷酸的浓度为0.8～1.2mol/L。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中搅拌速度为500～700r/min，搅拌的时间为40～80分钟。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中静置的时间为4～6小时。
一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料，该复合电极材料在酸性电解液中的比电容为371.5～420.3F/g。
本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：
本发明以苯胺单体在苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭表面原位共聚，构筑以共价键结合的聚苯胺-多孔炭复合材料，经过水洗至中性，干燥后得到超级电容器用具有共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合材料，该复合材料中聚苯胺以微纤均匀分布在功能炭表面，具有较好的比电容值，并且整个制备工艺简单，价格低廉，工业化生产易实现。
进一步的，本发明中多孔炭经过硝酸水溶液处理后，炭材料的表面含有丰富的羧基和羟基，可以与ND42水解后的羟基缩合，使偶联剂以化学键接枝在炭材料的表面。另外，ND42分子上的活性苯胺基团又可以和苯胺单体进行共聚反应，使磷酸掺杂的PANI原位接枝在多孔炭材料的表面，形成具有共价键链接的牢固均匀包覆层。由于有界面共价键的存在，将具有骨架稳定性的多孔炭材料与具有较高赝电容的导电PANI材料有效而牢固地结合，两种材料之间的相互作用增强，会形成更大的π电子离域体系，使两相间的电子传递也由链间跳跃模式转变为链内的直接传导，进而大幅度提高电极材料的比电容及循环稳定性。这对于电池材料、光电转换材料性能的提升均有利。
本发明所制备出具有共价键结合的PANI-AC复合材料，作为电极材料具有更高的比电容数值；当该PANI-AC复合材料用于超级电容器电极材料时，在酸性电解液中获得的比电容为371.5～420.3F/g，相对于单一活性炭(111.8F/g)、聚苯胺(296.2F/g)以及无共价键连接的PANI-AC复合材料(360.5F/g)，且充放电过程中曲线的形状变形较小，更接近矩形，说明电化学性能更接近理想的电容行为，具有优异的循环稳定性；尤其当电流密度提高后，具有共价键链接的PANI-AC比电容数值下降较缓慢，具有更好的倍率稳定性。所以本发明具有共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合材料可用作优秀的超级电容器电极材料。
附图说明
图1为实施例1所得PANI-AC及对比例1～3所得AC、ND42-AC、PANI的红外谱图。
图2为实施例1所得PANI-AC及对比例1～3所得AC、ND42-AC、PANI的红外谱图局部放大图。
图3为实施例1所得PANI-AC复合材料放大倍率为10000的微观形貌照片。
图4为实施例1所得PANI-AC复合材料放大倍率为50000的微观形貌照片。
图5为实施例1制得的具有共价键的PANI-AC复合材料及对比例1-3的充放电曲线，在电流密度为1A/g时所测得。
图6为实施例1制得的有共价键链接的PANI-AC循环伏安曲线图。
图7为实施例1制得的有共价键链接的恒流充放电曲线图。
图8为实施例1制得的有共价键链接的复合材料及无共价键连接的复合材料在不同电流密度下的比电容值。
图9为具有共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合材料合成原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明以工业活性炭为基材，先经硝酸对其活化处理，后用含苯胺基团的偶联剂ND42对其进行功能化处理，再将苯胺在其表面原位聚合，获得具有界面共价键链接的PANI-AC复合材料。
实施例1
一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取硝酸并配制成质量浓度16％的硝酸水溶液100mL，将配好的硝酸水溶液和10克商业活性炭(简称AC)混合加入到三口烧瓶中，50℃水浴下恒温磁力搅拌回流5小时。待反应完全后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤至中性，滤出物在110℃烘箱中干燥12h，冷却后得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，取出待用，并记作HNO3-AC。
(2)取5克上述所得HNO3-AC分散在100mL甲苯与5mL硅烷偶联剂苯胺基甲基三乙氧基硅烷(以下用其商业名ND42简称)的混合液中，200W超声分散1h；然后加热至110℃下回流反应24h；之后冷却、抽滤，用甲苯、丙酮、蒸馏水依次洗涤，直至滤液无色；将产物在50℃的真空烘箱中干燥24h，冷却得到黑色粉末状ND42功能化多孔炭，记作ND42-AC。
(3)在三口烧瓶中将5克苯胺缓慢加入到150mL、1.0mol/L的磷酸水溶液中，在搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液。取1克ND42-AC分散到磷酸-苯胺水溶液中，300r下搅拌30min后200W超声强化分散1h，得到溶液A
另取2.5克的过硫酸铵溶于50mL、1.0mol/L磷酸溶液中，配成溶液B。
将溶液A置于恒温水浴锅中磁力搅拌，控制温度在0-5℃，通N2保护，迅速将溶液B以1滴/min的速度滴入溶液A中，在600r/min转速下搅拌反应1小时，之后停止搅拌，在0-5℃下静置4小时。反应结束后，倒掉上清液，抽滤，用无水乙醇将产物洗至滤液无色，再用去离子水反复洗涤至滤液为中性，在60℃下真空干燥24小时，冷却后得到PANI-AC复合材料。
对比例1
不加入苯胺单体，仅用实施例1中步骤(2)所得的ND42-AC，进行充放电。
对比例2
不加入活性炭，仅用实施例1中步骤(3)所得的聚苯胺，进行充放电。
对比例3
不对工业活性炭进行实施例1中步骤(1)、(2)的表面处理，其他条件均与实施例1中的条件相同，进行充放电。
参见表1，表1为实施例1与对比例1-3所得试样的比电容值，从表1可以看出具有界面共价键链接的PANI-AC复合材料比电容值(393.3F/g)最高，既优于单一活性炭(111.8F/g)与聚苯胺(296.2F/g)，也优于无共价键连接的PANI-AC复合材料(360.5F/g)。
表1实施例1与对比例1-3所得试样的比电容值(1A/g)
从图1和图2可以看出，多孔炭在1140cm-1处出现的一个宽大的吸收峰，可能是多孔炭中酚羟基的C－O振动吸收峰。苯胺甲基三乙氧基硅烷处理后的活性炭(ND42－AC)，其在1750cm-1、1573cm-1、1211cm-1出现了吸收峰，相对于多孔炭而言，ND42－AC的碳链中C－N的伸缩振动吸收峰在1160～1000cm-1范围内，苯环上C－N的伸缩振动吸收峰在1350～1250cm-1范围内，在1000～1350cm-1处出现了一个宽泛的吸收峰，对应于C-O在1100cm-1及1350～1260cm-1处的伸缩振动峰、Si-O-C及Si-O-Si(链状)在1100～1000cm-1处振动、仲胺中的C-N在1350～1280cm-1处振动的联合吸收峰。由此可以推断出在1350～1000cm-1之间处吸收峰明显增强是由于C－O、C－N、Si－O共同作用的结果，这说明苯胺甲基三乙氧基硅烷处理活性炭的方法是可行的，苯胺甲基三乙氧基硅烷偶联剂可以通过这种方法以化学键的方式接枝在活性炭的表面。复合材料PANI-AC的曲线与纯PANI较为相似，只是由于ND42-AC的存在，多了在1444cm-1处出现的多孔炭C－C伸缩振动峰，且ND42-AC也影响了PANI分子中某些基团特征峰的微小移动。如醌环中C＝C由1564cm-1移向高波数1568cm-1，苯环中C＝C在1483cm-1处的吸收峰移向高波数1490cm-1，苯环中C－H由1107cm-1移向高波数1195cm-1，磷酸掺杂后P－O由615cm-1、505cm-1处的吸收峰移向高波数617cm-1、507cm-1，发生了蓝移，且吸收强度都有所减小；在1299cm-1处，吸收峰移向低波数1290cm-1处，发生了红移。这说明由于ND42-AC的存在，影响了聚苯胺中原子的振动频率，而聚苯胺具有一种全共轭的分子架构，这种影响会随着大π键而影响整个分子链的振动频率，导致样品红外光谱的特征吸收峰发生移动。以上的变化说明，在ND42-AC的表面发生了苯胺的聚合反应，且二者之间产生了一定的物理化学作用，形成了具有共价键链接的复合材料。
为了检测制备所得具有共价键链接的PANI-AC的电化学性能，将制备得到的PANI-AC作电极材料，以三电极体系进行测试。测试用的电解液为1mol/L的H2SO4溶液。
图3和图4为所得PANI-AC复合材料不同放大倍数的微观形貌照片，图3放大倍率为10000，可见每个活性炭颗粒表面都均匀生长着聚苯胺短纤；图4放大倍率为50000，可清晰地看出聚苯胺短纤垂直于多孔炭表面并有序排列。
图5为制得的具有共价键的PANI-AC复合材料及其它对比试样的充放电曲线，在电流密度为1A/g时所测得。曲线1为活性炭的充放电曲线，近似对称的三角形，具有典型的双电层电容特性。曲线2(PANI)电极的充放电曲线在-0.1～0.5V间有明显的氧化还原峰，体现出了PANI的法拉第赝电容特性；而在0.5～0.8V间则表现为具有对称三角形的双电层电容特性，但其贡献小于赝电容特性。当活性炭与聚苯胺复合后，所得复合材料PANI-AC(曲线3与4)的比电容值均有所提高。这是由于活性炭不仅可以作为高导电率的稳定碳骨架，也利于聚苯胺的有序分散，而使得复合材料的双电层电容及赝电容性能都可充分地显示出来。但具有共价键链接的复合试样(曲线4)具有更高的比电容值。这是因为界面共价键的存在，将具有骨架稳定性的炭材料与具有较高赝电容的导电PANI材料有效而牢固地结合，两种材料之间的相互作用增强，会形成更大的π电子离域体系，使两相间的电子传递也由链间跳跃模式转变为链内的直接传导，进而提高电极材料的性能。
图6为实施例1制得的有共价键链接的PANI-AC循环伏安曲线图，图7为恒流充放电曲线图。由图6可看出有共价键链接的PANI-AC试样的循环伏安曲线分别在-0.1V、0.2V与0.4V有三个还原峰，而在0.1V、0.3V及0.6V有三个氧化峰，这对应于PANI的全氧化态/中间掺杂态，中间掺杂态/还原态的氧化还原特征峰。随着扫描速率的增加，同一电势下响应电流也成比例增大。图7是计时电位法测得用具有共价键链接的PANI-AC制备的电极在1A/g、2A/g、5A/g恒定电流下的充放电曲线图。可看出，具有共价键链接的PANI-AC复合材料的充放电曲线均呈现近似于等腰三角形，说明电极反应具有较好的可逆性，而电极电位随时间呈线性变化，说明该复合材料具有良好的电化学性能。所以本发明的具有共价键链接的PANI-AC复合材料可以作为超级电容器的优良电极材料使用。
图8为所得的有共价键链接的复合材料及无共价键连接的复合材料在不同电流密度下的比电容值。明显可见具有共价键链接的PANI-AC试样储能密度优于无共价键链接的PANI-AC复合材料。尤其当电流密度提高后，无共价键连接的PANI-AC复合材料比电容数值下降更快。
实施例2
(1)称取硝酸并配制成质量浓度18％的硝酸水溶液100mL，将配好的硝酸水溶液和10克商业活性炭(简称AC)混合加入到三口烧瓶中，50℃水浴下恒温磁力搅拌回流5小时。待反应完全后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤至中性，滤出物在110℃烘箱中干燥12h，冷却后得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，取出待用，并记作HNO3-AC。
(2)取4克上述所得HNO3-AC分散在100mL甲苯与5mL硅烷偶联剂苯胺基甲基三乙氧基硅烷(以下用其商业名ND42简称)的混合液中，200W超声分散1h；然后加热至110℃下回流反应24h；之后冷却、抽滤，用甲苯、丙酮、蒸馏水依次洗涤，直至滤液无色；将产物在50℃的真空烘箱中干燥24h，冷却得到黑色粉末状ND42功能化多孔炭，记作ND42-AC。
(3)在三口烧瓶中将5克苯胺缓慢加入到150mL、1.0mol/L的磷酸水溶液中，在搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液。取1克ND42-AC分散到磷酸-苯胺水溶液中，300r下搅拌30min后200W超声强化分散1h，得到溶液A。
另取2.5克的过硫酸铵溶于50mL、1.0mol/L磷酸溶液中配成溶液B。
将溶液A置于恒温水浴锅中磁力搅拌，控制温度在0-5℃，通N2保护，迅速将溶液B以2滴/min的速度滴入溶液A中，在600r/min转速下搅拌反应1小时，之后停止搅拌在0-5℃下静置4小时。反应结束后，倒掉上清液，抽滤，用无水乙醇将产物洗至滤液无色，再用去离子水反复洗涤至滤液为中性，在60℃下真空干燥24小时，冷却后得到PANI-AC复合材料。
实施例3
(1)称取硝酸并配制成质量浓度16％的硝酸水溶液100mL，将配好的硝酸水溶液和10克商业活性炭(简称AC)混合加入到三口烧瓶中，50℃水浴下恒温磁力搅拌回流5小时。待反应完全后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤至中性，滤出物在110℃烘箱中干燥12h，冷却后得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，取出待用，并记作HNO3-AC。
(2)取4克上述所得HNO3-AC分散在100mL甲苯与4mL硅烷偶联剂苯胺基甲基三乙氧基硅烷(以下用其商业名ND42简称)的混合液中，200W超声分散1h；然后加热至110℃下回流反应24h；之后冷却、抽滤，用甲苯、丙酮、蒸馏水依次洗涤，直至滤液无色；将产物在50℃的真空烘箱中干燥24h，冷却得到黑色粉末状ND42功能化多孔炭，记作ND42-AC。
(3)在三口烧瓶中将5克苯胺缓慢加入到150mL、1.0mol/L的磷酸水溶液中，在搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液。取1.2克ND42-AC分散到磷酸-苯胺水溶液中，300r下搅拌30min后200W超声强化分散1h，得到溶液A。
另取2.4克的过硫酸铵溶于50mL、1.0mol/L磷酸溶液中配成溶液B。
将溶液A置于恒温水浴锅中磁力搅拌，控制温度在0-5℃，通N2保护，迅速将溶液B以1滴/min的速度滴入溶液A中，在600r/min转速下搅拌反应1小时，之后停止搅拌在0-5℃下静置4小时。反应结束后，倒掉上清液，抽滤，用无水乙醇将产物洗至滤液无色，再用去离子水反复洗涤至滤液为中性，在60℃下真空干燥24小时，冷却后得到PANI-AC复合材料。
实施例4
(1)称取硝酸并配制成质量浓度16％的硝酸水溶液100mL，将配好的硝酸水溶液和10克商业活性炭AC混合加入到三口烧瓶中，50℃水浴下恒温磁力搅拌回流5小时。待反应完全后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤至中性，滤出物在110℃烘箱中干燥12h，冷却后得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，取出待用，并记作HNO3-AC。
(2)取5克上述所得HNO3-AC分散在100mL甲苯与5mL硅烷偶联剂苯胺基甲基三乙氧基硅烷(以下用其商业名ND42简称)的混合液中，200W超声分散1h；然后加热至110℃下回流反应24h；之后冷却、抽滤，用甲苯、丙酮、蒸馏水依次洗涤，直至滤液无色；将产物在50℃的真空烘箱中干燥24h，冷却得到黑色粉末状ND42功能化多孔炭，记作ND42-AC。
(3)在三口烧瓶中将4克苯胺缓慢加入到150mL、1.0mol/L的磷酸水溶液中，在搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液。取0.9克ND42-AC分散到磷酸-苯胺水溶液中，300r下搅拌30min后200W超声强化分散1h，得到溶液A。
另取2.3克的过硫酸铵溶于50mL、1.0mol/L磷酸溶液中配成溶液B。将溶液A置于恒温水浴锅中磁力搅拌，控制温度在0-5℃，通N2保护，迅速将溶液B以2滴/min的速度滴入溶液A中，在600r/min转速下搅拌反应1小时，之后停止搅拌在0-5℃下静置4小时。反应结束后，倒掉上清液，抽滤，用无水乙醇将产物洗至滤液无色，再用去离子水反复洗涤至滤液为中性，在60℃下真空干燥24小时，冷却后得到PANI-AC复合材料。
实施例5
(1)将质量浓度为20％硝酸水溶液与活性炭加入到容器中，在60℃下回流5小时后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤滤出物至中性，干燥，得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，并记作HNO3-AC；其中，硝酸水溶液中硝酸与活性炭的质量比为10g：8g；
(2)将HNO3-AC分散在甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的混合液中，超声分散均匀；然后加热至100℃下回流反应26h后，得到黑色粉末状苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭；其中，HNO3-AC、甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的比为3g：100mL：3mL；
(3)将苯胺加入到0.8mol/L磷酸水溶液中，搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液；将苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭分散到透明的磷酸-苯胺水溶液中，搅拌混合后超声分散，得到溶液A；其中，苯胺与磷酸水溶液中磷酸的比为3g：12g；
将过硫酸铵溶于0.8mol/L磷酸水溶液中，配成溶液B；其中，过硫酸铵与磷酸水溶液中磷酸的比为3g：6g。
N2保护下、温度为2℃下，将溶液B以2滴/min的速度滴入溶液A中，700r/min下搅拌反应80min，然后静置4小时，得到聚苯胺-多孔炭复合电极材料；其中，苯胺、苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭与过硫酸铵的比为3g：0.5g：3g。
实施例6
(1)将质量浓度为17％硝酸水溶液与活性炭加入到容器中，在70℃下回流4小时后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤滤出物至中性，干燥，得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，并记作HNO3-AC；其中，硝酸水溶液中硝酸与活性炭的质量比为20g：5g；
(2)将HNO3-AC分散在甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的混合液中，超声分散均匀；然后加热至120℃下回流反应20h后，得到黑色粉末状苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭，记为ND42-AC；其中，HNO3-AC、甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的比为4g：90mL：6mL；
(3)将苯胺加入到1.2mol/L磷酸水溶液中，搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液；将苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭分散到透明的磷酸-苯胺水溶液中，搅拌混合后超声分散，得到溶液A；其中，ND42-AC、苯胺与磷酸水溶液中磷酸的比为1.3g：6g：12g；
将过硫酸铵溶于1.2mol/L磷酸水溶液中，配成溶液B；其中，过硫酸铵与磷酸水溶液中磷酸的比为2.3g：7g。
N2保护下、温度为5℃下，将溶液B以1滴/min的速度滴入溶液A中，500r/min下搅拌反应40min，然后静置5小时，得到聚苯胺-多孔炭复合电极材料；其中，苯胺、苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭与过硫酸铵的比为6g：1.3g：2.3g。
实施例7
(1)将质量浓度为18％硝酸水溶液与活性炭加入到容器中，在50℃下回流6小时后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤滤出物至中性，干燥，得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，并记作HNO3-AC；其中，硝酸水溶液中硝酸与活性炭的质量比为15g：10g；
(2)将HNO3-AC分散在甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的混合液中，超声分散均匀；然后加热至100℃下回流反应22h后，得到黑色粉末状苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭；其中，HNO3-AC、甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的比为5g：120mL：7mL；
(3)将苯胺加入到1mol/L磷酸水溶液中，搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液；将苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭分散到透明的磷酸-苯胺水溶液中，搅拌混合后超声分散，得到溶液A；其中，苯胺与磷酸水溶液中磷酸的比为7g：18g；
将过硫酸铵溶于1mol/L磷酸水溶液中，配成溶液B；其中，过硫酸铵与磷酸水溶液中磷酸的比为3.2g：3g。
N2保护下、温度为0℃下，将溶液B以1滴/min的速度滴入溶液A中，600r/min下搅拌反应50min，然后静置6小时，得到聚苯胺-多孔炭复合电极材料；其中，苯胺、苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭与过硫酸铵的比为7g：1.5g：3.2g。
本发明的原理是：有共价键链接的PANI-AC复合材料的合成原理如下图9所示。多孔炭经过硝酸溶液处理后，炭材料的表面含有丰富的羧基和羟基，可以与ND42水解后的羟基缩合，使偶联剂以化学键接枝在炭材料的表面。另外，ND42分子上的活性苯胺基团又可以和苯胺单体进行共聚反应，使磷酸掺杂的PANI原位接枝在多孔炭材料的表面，形成具有共价键链接的牢固均匀包覆层。由于有界面共价键的存在，将具有骨架稳定性的多孔炭材料与具有较高赝电容的导电PANI材料有效而牢固地结合，两种材料之间的相互作用增强，会形成更大的π电子离域体系，使两相间的电子传递也由链间跳跃模式转变为链内的直接传导，进而大幅度提高电极材料的比电容及循环稳定性。这对于电池材料、光电转换材料性能的提升均有利。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将苯胺加入到磷酸水溶液中，搅拌下溶液由乳白色的悬浊物逐渐形成透明的磷酸-苯胺水溶液；将苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭分散到透明的磷酸-苯胺水溶液中，搅拌混合后超声分散，得到溶液A；
2)将过硫酸铵溶于磷酸水溶液中，配成溶液B；
3)N2保护下、温度为0～5℃下，将溶液B滴加到溶液A中，搅拌反应40～80min，然后静置，得到聚苯胺-多孔炭复合电极材料；
其中，苯胺、苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭与过硫酸铵的比为(3～7)g：(0.5～1.5)g：(2.3～3.2)g。
2.根据权利要求1所述的一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中苯胺与磷酸水溶液中磷酸的比为(3～7)g：(12～18)g。
3.根据权利要求1所述的一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭通过以下过程制得：
(1)将硝酸水溶液与活性炭加入到容器中，在50～70℃下回流4～6小时后趁热过滤，并用蒸馏水洗涤滤出物至中性，干燥，得到黑色粉末状硝酸活化多孔炭，并记作HNO3-AC；其中，硝酸水溶液中硝酸与活性炭的质量比为(10～20)g：(5～10)g；
(2)将HNO3-AC分散在甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的混合液中，超声分散均匀；然后加热至100～120℃下回流反应20～26h后，得到黑色粉末状苯胺基甲基三乙氧基硅烷功能化多孔炭；其中，HNO3-AC与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的比为(3～7)g：(3～7)mL。
4.根据权利要求3所述的一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中硝酸水溶液质量浓度为15～20％。
5.根据权利要求3所述的一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中甲苯与苯胺基甲基三乙氧基硅烷的比为(80～120)mL：(3～7)mL。
6.根据权利要求1所述的一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中过硫酸铵与磷酸水溶液中磷酸的比为(2.3～3.2)g：(3～7)g。
7.根据权利要求1所述的一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中的磷酸的浓度为0.8～1.2mol/L。
8.根据权利要求1所述的一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中搅拌速度为500～700r/min，搅拌的时间为40～80分钟。
9.根据权利要求1所述的一种具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中静置的时间为4～6小时。
10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述方法制得的具有界面共价键链接的聚苯胺-多孔炭复合电极材料，其特征在于，该复合电极材料在酸性电解液中的比电容为371.5～420.3F/g。
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Citations (3)
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| CN101612554A (zh) * | 2009-08-13 | 2009-12-30 | 沈阳建筑大学 | 导电聚合物改性活性炭的制备方法 |
| CN103554490A (zh) * | 2013-10-25 | 2014-02-05 | 陕西科技大学 | 一种形貌可控的导电聚苯胺/有机化粘土纳米复合材料的制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN101612554A (zh) * | 2009-08-13 | 2009-12-30 | 沈阳建筑大学 | 导电聚合物改性活性炭的制备方法 |
| CN103554490A (zh) * | 2013-10-25 | 2014-02-05 | 陕西科技大学 | 一种形貌可控的导电聚苯胺/有机化粘土纳米复合材料的制备方法 |
| CN106145283A (zh) * | 2015-04-02 | 2016-11-23 | 北京化工大学 | 应用于电容法脱盐技术中的竹基活性炭及其改性材料的制备和测试 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109741970A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-05-10 | 重庆化工职业学院 | 一种木质素改性活性炭高性能储能材料的制备方法 |
| CN109741970B (zh) * | 2018-11-26 | 2023-07-14 | 重庆化工职业学院 | 一种木质素改性活性炭高性能储能材料的制备方法 |
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