一种超级电容器电极材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种超级电容器电极材料及其制备方法，电极材料的制备包括以下步骤：第一步：在氮气氛围中，2，4，6‑三(4‑溴苯基)‑1，3，5‑三嗪和噻吩‑2，5‑二硼酸二频哪醇酯在碱性条件和催化剂作用下反应聚合，产物经抽滤、洗涤、真空干燥后即得到多孔聚合物；第二步：碳化：将第一步制备的多孔聚合物放入瓷舟中，然后转移到充满氮气的管式炉中，升温至800‑1000℃，保温1‑1.5h，冷却到室温后即得到超级电容器电极材料；测得电极材料的比表面积为1248m2/g，应用于超级电容器，在1.0A/g的电流密度下，采用的电解质溶液为6M氢氧化钾溶液，测得比电容为357.0F/g；并且超级电容器电极材料在6M氢氧化钾溶液中循环10000多圈后，电容保持率为97.3%，具有优异的电化学性能。

权利要求

1.一种超级电容器电极材料，其特征在于：该电极材料为多孔聚合物的碳化材料，所述的多孔聚合物包括三嗪环和噻吩环；多孔聚合物的结构式如下：。

2.一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：在氮气氛围中，2，4，6‑三(4‑溴苯基)‑1，3，5‑三嗪和噻吩‑2，5‑二硼酸二频哪醇酯在碱性条件和催化剂作用下反应聚合，产物经抽滤、洗涤、真空干燥后即得到多孔聚合物；

第二步：碳化：将第一步制备的多孔聚合物放入瓷舟中，然后转移到充满氮气的管式炉中，升温至800‑1000℃，保温1‑1.5h，冷却到室温后即得到超级电容器电极材料。

3.根据权利要求2所述的一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：第一步中，2，4，6‑三(4‑溴苯基)‑1，3，5‑三嗪添加量为0.55g‑0.65g，噻吩‑2，5‑二硼酸二频哪醇酯添加量为0.45g‑0.55g。

4.根据权利要求2所述的一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：第一步中，所述的碱为碳酸铯，碳酸铯添加量为0.15‑0.2g。

5.根据权利要求2所述的一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：第一步中，所述的催化剂为pd(PPh3)4，催化剂的加入量为50‑60mg。

6.根据权利要求2所述的一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：第一步中，所述的洗涤具体步骤为：将抽滤后的固体依次采用100‑200ml纯化水、100‑200ml无水乙醚、50‑100ml二氯甲烷洗涤。

7.根据权利要求2所述的一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：第一步中，所述的真空干燥温度为55‑60℃，干燥时间为10‑12h。

8.根据权利要求2所述的一种超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：第二步中，所述的升温速率为5‑8℃/min。

说明书

一种超级电容器电极材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料技术领域，具体涉及超级电容器，特别是一种超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 超级电容器是介于电池与传统电容器之间的一种具有特殊性能的能量转换装置，与传统电容器相比，其能量密度具有更高的数量级，而与电池相比，其功率密度及循环寿命等性能方面更具优势；超级电容器一般是由电极材料、电解液、集流体和隔膜组成；由于实现能量存储过程中的电荷分离与转移是发生在电极材料与电解液接触面上，所以，电极材料对超级电容器的电化学性能起着非常重要的作用。

[0003] 多孔有机聚合物是一类通过强共价键连接的高交联聚合物。多孔有机聚合物成为很有前景的应用材料之一是由于以下这些优点：（1）高比表面积和孔隙率；（2）优越的化学稳定性；（3）结构的可调性。（4）低密度。（5）不含金属的特性。与 MOFs不同，多孔有机聚合物的构建不需要金属离子的参与，从而避免了金属离子释放和二次污染的可能性。

[0004] 多孔碳材料作为双电层超级电容器的电极材料，因其具有良好的电导率而备受关注。但由于碳材料的比电容较低，因此极大的限制了实际应用价值。本发明制备了一种基于富氮和富硫的多孔有机聚合物结构的多孔碳材料，首先制备一种多孔有机聚合物，将其作为前驱体经高温碳化后得到多孔碳材料，可直接作为超级电容器电极材料，并展现出优异的电化学性能。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种超级电容器电极材料及其制备方法。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

[0007] 一种超级电容器电极材料，该电极材料为多孔聚合物的碳化材料，所述的多孔聚合物包括三嗪环和噻吩环（聚合物骨架中的氮、硫掺杂改变了附近碳原子的电荷分布，增加了材料的润湿性，扩展的π共轭骨架具有电子传导性，有利于提高电化学性能）；多孔聚合物的结构式如下：

[0008]  。

[0009] 一种超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：

[0010] 第一步：在氮气氛围中，2，4，6‑三(4‑溴苯基)‑1，3，5‑三嗪和噻吩‑2，5‑二硼酸二频哪醇酯在碱性条件和催化剂作用下反应聚合，产物经抽滤、洗涤、真空干燥后即得到多孔聚合物；

[0011] 第二步：碳化：将第一步制备的多孔聚合物放入瓷舟中，然后转移到充满氮气的管式炉中，升温至800‑1000℃，保温1‑1.5h，冷却到室温后即得到超级电容器电极材料。

[0012] 进一步，第一步中，2，4，6‑三(4‑溴苯基)‑1，3，5‑三嗪添加量为0.55g‑0.65g，噻吩‑2，5‑二硼酸二频哪醇酯添加量为0.45g‑0.55g。

[0013] 进一步，第一步中，所述的碱为碳酸铯，碳酸铯添加量为0.15‑0.2g。

[0014] 进一步，第一步中，所述的催化剂为pd(PPh3)4，催化剂的加入量为50‑60mg。

[0015] 进一步，第一步中，所述的洗涤具体步骤为：将抽滤后的固体依次采用100‑200ml纯化水、100‑200ml无水乙醚、50‑100ml二氯甲烷洗涤。

[0016] 进一步，第一步中，所述的真空干燥温度为55‑60℃，干燥时间为10‑12h。

[0017] 进一步，第二步中，所述的升温速率为5‑8℃/min。

[0018] 本发明的有益效果：

[0019] 本发明提供了一种超级电容器电极材料，首先采用2，4，6‑三(4‑溴苯基)‑1，3，5‑三嗪和0.45g‑0.55g噻吩‑2，5‑二硼酸二频哪醇酯在碱性条件和催化剂作用下反应聚合，制备得到了多孔聚合物，接着将其作为前驱体经高温碳化后得到多孔碳材料，测得电极材料2
的比表面积为1248m/g，应用于超级电容器，在1.0A/g的电流密度下，采用的电解质溶液为
6M氢氧化钾溶液，测得比电容为357.0F/g；并且超级电容器电极材料在6M氢氧化钾溶液中循环10000多圈后，电容保持率为97.3%，具有优异的电化学性能。

[0020] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0022] 图1为本发明多孔聚合物的红外图谱；

[0023] 图2为电极材料的电镜扫描图。

具体实施方式

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 多孔聚合物的制备，包括以下步骤：

[0026] 在烧瓶中加入100ml溶剂DMF，称量0.60g 2，4，6‑三(4‑溴苯基)‑1，3，5‑三嗪和0.50g噻吩‑2，5‑二硼酸二频哪醇酯加入到烧瓶中，抽真空除去烧瓶中的空气，通入氮气
10min使烧瓶中充满氮气，接着加入0.15g碳酸铯和50mg催化剂pd(PPh3)4，再次通入氮气
10min使烧瓶中充满氮气，接着将烧瓶放置到油浴锅中，边搅拌边升温至125℃，保温搅拌反应2天时间，反应结束后，关闭油浴加热，自然冷却到室温，抽滤反应体系，抽滤固体依次采用200ml纯化水、200ml无水乙醚、100ml二氯甲烷洗涤，最后采用真空干燥箱在55℃下进行‑1 ‑1
干燥12h，即得到多孔聚合物；如图1所示为多孔聚合物的红外图谱，在1606cm 和1410cm‑1
处为三嗪特征吸收峰，640cm 处为噻吩特征吸收峰，即说明发生了聚合反应，生成了含有三嗪单元和噻吩单元的多孔聚合物。

[0027]

[0028] 碳化：将制备的多孔聚合物放入瓷舟中，然后转移到充满氮气的管式炉中，并以6℃/min的速率升温至800℃，保温1.5h，冷却到室温后即得到超级电容器电极材料，如图2所示为超级电容器电极材料在10nm下的电镜扫描图，得到的超级电容器电极材料为3‑12um的球堆积而成三维交织多孔碳材料；使用精微高博比表面分析仪测试其比表面积，测得电极2
材料的比表面积为1248m/g。高比表面积电极材料以及相互连接的微孔和介孔可使这些材料更好地与电解质接触，为离子传输和扩散提供了丰富的通道；电极材料的比表面积可以通过提供大量的离子存储活性位点从而提高比电容，使其非常适合作为电极材料应用于超级电容器领域。

[0029] 超级电容器电极材料的电性能测试

[0030] 采用恒流充放电测试制备的电极材料在1.0A/g的电流密度下，采用的电解质溶液为6M氢氧化钾溶液，测得比电容为357.0F/g；并且超级电容器电极材料在6M氢氧化钾溶液中循环10000多圈后，电容保持率为97.3%，显示出了超高的稳定性，非常适用于构建高性能超级电容器电极，具有很高的应用价值，非常适合用于环境储能领域。

[0031] 以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。