超級電容器電極材料聚苯胺納米纖維的製備方法
2023-05-13 04:24:31 2
專利名稱：超級電容器電極材料聚苯胺納米纖維的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種超級電容器電極材料的製備方法，特別是涉及一種超級電容器電極材料聚苯胺納米纖維的製備方法。
背景技術：
導電聚苯胺超級電容器具有比電容值高的優點，但其缺點主要在於循環性能較差。為了改善其循環性能，很多科研工作者採用炭材料改性聚苯胺作為超級電容器電極材料。如LAI Yan-qing等(LAI Yan-qing，LI Jing，LI Jie，et al.Preparation and electrochemical characterization of C/PANI composite electrodematerials[J].Journal of Central South University of Technology，2006，13(4)353-359)研究發現，單獨採用傳統化學法製備的不規則顆粒狀聚苯胺材料製備的電極，充放電循環200次容量損失了70％，而將其用活性炭改性得到的聚苯胺/炭複合材料製備電極，充放電循環200次容量損失在25％以內。可以看到，這種聚苯胺用炭材料改性得到的複合材料雖可以在一定程度上改善聚合物電極材料的循環性能，但效果並不十分理想，且炭材料本身貢獻的容量很小，這種複合材料一般需以犧牲一定的比電容值為代價。
納米纖維材料由於具有良好孔隙結構和高比表面積等特點，更有利於電解液的浸入，同時在充放電過程中此種結構更方便離子的嵌入/脫出，因而作為超級電容器電極，具有更高的比電容值和更優良的循環性能。合成聚苯胺納米纖維材料的常用方法有模板法、乳液聚合法、電化學聚合法等，然而現有這些方法都存在一定不足，如模板法一般只能合成出納米級短原纖或一端與膜相連的毛刷狀結構纖維，且操作複雜，成本高；乳液聚合法在反應過程中乳化劑用量大，所得的聚合物含量低，而且後處理過程繁瑣；而電化學聚合法主要缺陷在於受電極面積所限制，難以得到大量的產物，不適合大規模生產。
發明內容
本發明的目的在於提供一種工藝簡單、操作簡便、成本低廉的聚苯胺納米纖維材料的製備方法。
本發明是通過以下技術方案實現的，包括以下步驟(1)將苯胺單體溶於有機溶劑中，配成苯胺單體濃度為0.05～0.3mol/L的溶液A，(2)將氧化劑過硫酸銨溶於0.5～2mol/L的無機質子酸溶液中配成溶液B，其中溶液B中氧化劑濃度溶液A中苯胺單體濃度為0.2～1.0；(2)將溶液A和溶液B依次小心移入反應器內，兩種溶液立刻形成油/水兩相界面，並發生界面聚合反應，室溫下反應5～30h；(3)收集溶液B中的產物，依次用水、乙醇和丙酮洗滌產物，直至洗滌液為無色；(4)將洗滌後的產物在40～80℃下真空乾燥12～48h，即得到聚苯胺納米纖維材料。
所述無機質子酸可為鹽酸或高氯酸。
所述有機溶劑可為苯、甲苯、正己烷、四氯化碳、二硫化碳、氯仿或二氯甲烷中的至少一種。
本發明利用油/水兩相界面發生的聚合反應製備聚苯胺材料，通過對界面聚合工藝的優化和控制，可製備出直徑在30～120nm之間，長度為500nm至幾微米的聚苯胺納米纖維材料。
利用本發明製備出的聚苯胺納米纖維做超級電容器電極，在硫酸水溶液中具有較高的比電容值(＞300F/g)，同時循環使用壽命良好，500次充放電循環容量衰減僅在5％以內，有效解決了聚苯胺材料作超級電容器電極循環性能較差的問題。
本發明工藝簡單、操作簡便、成本低廉，一步即可合成大量納米纖維狀聚苯胺材料，適合大規模工業生產。
圖1為本發明實施例1製備的聚苯胺納米纖維材料的SEM圖；圖2為本發明實施例1製備的聚苯胺納米纖維材料在不同電流下的充放電曲線圖；圖3為本發明實施例1製備的聚苯胺納米纖維材料在10mA充放電電流下的容量循環特性圖。
具體實施例方式
下面結合實施例，對本發明作進一步詳細說明，但不得將這些實施例解釋為對本發明保護範圍的限制。
實施例1(1)將0.93ml的苯胺溶於100ml有機溶劑CCl4中配成溶液A，0.57g的過硫酸銨溶於100ml的1mol/L鹽酸中配成溶液B([APS]/[AN]＝1∶4)；(2)將溶液A和溶液B依次移入反應瓶內，室溫下反應5h；(3)收集溶液B中的產物，用水、乙醇和丙酮洗滌產物，直至洗滌液為無色；(4)將洗滌後的產物於40℃真空乾燥48h，得到鹽酸摻雜的聚苯胺納米纖維材料。計算可得聚苯胺單電極比電容為317F/g，500次充放電循環容量衰減在4％以內。
實施例2(1)將1.86ml的苯胺溶於100ml有機溶劑甲苯中配成溶液A，2.28g的過硫酸銨溶於100ml的2mol/L鹽酸中配成溶液B([APS]/[AN]＝1∶2)；(2)將溶液A和溶液B依次移入反應瓶內，室溫下反應10h；(3)收集溶液B中的產物，用水、乙醇和丙酮洗滌產物，直至洗滌液為無色；(4)將洗滌後的產物於60℃真空乾燥24h，得到鹽酸摻雜的聚苯胺納米纖維材料。本實施例製備的聚苯胺單電極比電容為308F/g，500次充放電循環容量衰減在5％以內。
實施例3(1)將0.465ml的苯胺溶於100ml有機溶劑CH2Cl2中配成溶液A，0.285g的過硫酸銨溶於100ml的1mol/L高氯酸中配成溶液B([APS]/[AN]＝1∶1)；(2)將溶液A和溶液B依次移入反應瓶內，室溫下反應20h；(3)收集溶液B中的產物，用水、乙醇和丙酮洗滌產物，直至洗滌液為無色；(4)將洗滌後的產物於80℃真空乾燥12h，得到高氯酸摻雜的聚苯胺納米纖維材料。本實施例製備的聚苯胺單電極比電容為302F/g，500次充放電循環容量衰減在4％以內。
權利要求
1.一種超級電容器電極材料聚苯胺納米纖維的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將苯胺單體溶於有機溶劑中，配成苯胺單體濃度為0.05～0.3mol/L的溶液A，(2)將氧化劑過硫酸銨溶於0.5～2mol/L的無機質子酸溶液中配成溶液B，其中溶液B中氧化劑濃度溶液A中苯胺單體濃度為0.2～1.0；(2)將溶液A和溶液B依次移入反應器內，兩種溶液立刻形成油/水兩相界面，並發生界面聚合反應，室溫下反應5～30h；(3)收集溶液B中的產物，用水、乙醇和丙酮洗滌產物，直至洗滌液為無色；(4)將洗滌後的產物在40～80℃下真空乾燥12～48h。即得聚苯胺納米纖維材料。
2.根據權利要求1所述的超級電容器電極材料聚苯胺納米纖維的製備方法，其特徵在於，所述無機質子酸為鹽酸或高氯酸。
3.根據權利要求1所述的超級電容器電極材料聚苯胺納米纖維的製備方法，其特徵在於，所述有機溶劑為苯、甲苯、正己烷、四氯化碳、二硫化碳、氯仿或二氯甲烷中的至少一種。
全文摘要
本發明公開了一種超級電容器電極材料聚苯胺納米纖維的製備方法，該方法以苯胺單體和氧化劑過硫酸銨為原料，利用油/水兩相界面發生的聚合反應製備聚苯胺材料，通過對界面聚合工藝的優化和控制，製備出直徑在30～120nm之間，長度為500nm至幾微米不等的聚苯胺納米纖維材料。用其做超級電容器的電極材料，在保持較高比電容值的同時具有循環使用壽命長的優點，充放電循環500次容量衰減僅在5％以內，有效解決了聚苯胺材料作超級電容器電極循環性能較差的問題。與現有的聚苯胺納米纖維製備技術相比，本發明工藝簡便、操作簡單、成本低廉，一步即可合成大量納米纖維狀聚苯胺材料，適合大規模工業生產。
文檔編號C08G73/02GK101016660SQ20071003450
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月7日 優先權日2007年3月7日
發明者賴延清, 盧海, 張治安, 李劼, 李晶, 李薦, 宋海申, 劉業翔 申請人:中南大學