一種超級電容器用高比表面積介孔?微孔炭微球及其制備方法技術(shù)

一種超級電容器用高比表面積介孔?微孔炭微球及其制備方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，以苯乙烯為單體、SBA?15為介孔模板劑和聚磷酸銨為多功能助劑制備聚苯乙烯微球；再將聚苯乙烯微球交聯(lián)、炭化、刻蝕即可得到高比表面積的聚苯乙烯基介孔?微孔炭微球。該制備方法的特點為采用聚磷酸銨為多功能助劑，無需酸堿活化，即可獲得超級電容器用高比表面積、N與P共摻雜的介孔?微孔炭微球。所得的材料比表面積為1168～1476m

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于材料
，特別涉及一種超級電容器用高比表面積介孔-微孔炭 微球及其制備方法。
技術(shù)介紹
超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能器件，由于其具有功率密度 高、能量密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長、對環(huán)境無污染、使用溫度范圍寬和安全性能高 等特點，近年來引起全世界的關(guān)注并成為新能源領(lǐng)域的研究熱點之一。而電極材料又是決 定超級電容器性能的關(guān)鍵因素之一，因此高性能電極材料的合成和優(yōu)化是超級電容器研究 的重點。而介孔-微孔多孔炭材料作為一種當(dāng)今超級電容器電極材料廣泛使用的的炭材 料，不僅具有較大的比表面積，而且還具有介孔和微孔梯級分布的雙重優(yōu)勢，既有利于電解 液荷電離子快速有效進(jìn)入，增強(qiáng)離子電導(dǎo)率，較豐富的微孔又使炭材料具有高比表面積，形 成雙電層電容，進(jìn)而增大材料的儲能能力。 目前現(xiàn)有微孔炭材料多采用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿進(jìn)行活化，然而強(qiáng)酸強(qiáng)堿對設(shè)備會產(chǎn)生較 大的腐蝕，從而影響設(shè)備的使用壽命，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，同時也使得危險系數(shù)上升。 中國專利CN 103159886 A公開了一種超高比表面積單分散聚合物微球的制備方 法，采用無皂細(xì)乳液聚合制備輕度交聯(lián)的單分散預(yù)聚體微球，然后利用預(yù)聚體中的氯亞甲 基進(jìn)行傅克反應(yīng)進(jìn)一步交聯(lián)，獲得單分散聚苯乙烯微球，比表面積最高可達(dá)1255m 2/g，孔體 積可達(dá)0. 78cm3/g，但比表面積和孔體積仍較低，無氮、磷摻雜，不利于其電容性能的提高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種超級電容器用高比表面積介孔-微孔炭微球及其制 備方法，該方法以廉價易得的聚苯乙烯、SBA-15以及水溶性聚磷酸銨為主要原料，無需活化 即可制得高比表面積介孔-微孔炭微球材料，該材料與電解液的浸潤性及比電容及能量密 度均較好。 為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)： -種超級電容器用高比表面積介孔-微孔炭微球的制備方法，包括以下步驟： (1)將PVPK-30和SBA-15溶于乙醇中，得到溶液A ;將聚磷酸銨溶于水中，得到溶 液B ;將溶液A和溶液B加入到反應(yīng)器中，然后將苯乙烯和AIBN混合均勻后，滴入到反應(yīng)器 中，攪拌下繼續(xù)反應(yīng)10~15h后，結(jié)束反應(yīng)自然冷卻至室溫，得到乳液；將乳液進(jìn)行分離、干 燥，得到白色粉末狀產(chǎn)品，即為聚苯乙烯微球； 其中，PVPK-30、SBA-15、聚磷酸銨、苯乙烯、AIBN的比為（1~3)g :(1~5)g :(1~ 5) g : (18 ~20) g : (0. 1 ~0. 5) g ; (2)將聚苯乙烯微球和無水氯化鋁混合均勻后加入到反應(yīng)容器中，然后加入正庚 烷，攪拌下混勻后，再滴加四氯化碳，滴畢后于55~65°C下交聯(lián)反應(yīng)12~16h后老化，得到 交聯(lián)聚苯乙稀微球； 其中，聚苯乙烯微球：無水三氯化鋁：四氯化碳：正庚烷的用量比為（5~10)g : (2 ~5) g : (50 ~100) mL : (50 ~100) mL ; (3)將交聯(lián)聚苯乙烯微球在惰性氣體保護(hù)下碳化，得到聚苯乙烯基炭材料； (4)將聚苯乙烯基炭材料加入到氫氟酸中，攪拌以使刻蝕完全，然后過濾、水洗、干 燥得到聚苯乙烯基介孔-微孔炭微球。 所述步驟⑴中溶液A通過以下方法制得：按PVPK-30 :SBA-15 :乙醇為（1~3)g : (1~5)g :90mL，將PVPK-30和SBA-15加入到60~80°C的乙醇中，攪拌均勻得到溶液A。 所述步驟⑴中溶液B通過以下方法制得：按聚磷酸銨：水為（1~5) g :10mL，將 聚磷酸銨加入到水中，攪拌均勻得到溶液B。 所述步驟（2)具體過程為：將正庚烷分為第一份和第二份，第一份和第二份的體 積比為75 :18 ;將四氯化碳分為第一份和第二份，第一份和第二份的體積比為18 :75 ;第一 份四氯化碳和第二份正庚烷的混合物中四氯化碳和正庚烷的體積比為1 :1 ;將聚苯乙烯微 球和無水氯化鋁混合均勻后加入反應(yīng)容器中，然后加入第一份正庚烷，開動磁力攪拌器，通 過攪拌12h使其充分混合，攪拌下再滴加第一份四氯化碳和第二份正庚烷的混合物，滴畢 后再滴加第二份四氯化碳，其中，滴加第一份四氯化碳和第二份正庚烷的混合物、以及滴加 第二份四氯化碳的時間共10h，然后于55~65°C下反應(yīng)12~16h后老化，得到交聯(lián)聚苯乙 稀。 所述步驟⑵中老化是在100°C下加熱24h。 所述步驟⑶中炭化具體條件為：以升溫速率為2°C/min升至400°C恒溫4h，再 以5°C /min升溫至900°C恒溫2h。 所述氫氟酸的質(zhì)量濃度為5%。 所述步驟⑷中攪拌速度為300r/min ;攪拌的時間為24h。 -種超級電容器用高比表面積介孔-微孔炭微球，其特征在于，該介孔-微孔炭微 球的比表面積為1168~1476m2/g，孔容為1. 069~I. 341cm3/g。 本專利技術(shù)相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的有益效果： 本專利技術(shù)利用摻雜技術(shù)，首先以苯乙烯為反應(yīng)原料，偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑，聚磷 酸銨作為多功能活化助劑，SBA-15作為模板劑，加熱反應(yīng)后得到聚苯乙烯微球，再以聚苯乙 烯微球為原料，四氯化碳為交聯(lián)劑，正庚烷為溶脹劑，無水三氯化鋁作為催化劑，在加熱反 應(yīng)后，老化使其進(jìn)一步交聯(lián)，得到交聯(lián)聚苯乙烯。然后在惰性氣氛保護(hù)下炭化得到聚苯乙烯 基炭材料，再將所得到的炭材料以一定比例與氫氟酸混合攪拌，以除去模板劑得到介孔，最 后經(jīng)過水洗至中性，干燥后得到超級電容器用高比表面積介孔-微孔炭微球。 本專利技術(shù)通過添加水溶性聚磷酸銨使得介孔-微孔炭微球比表面積提升，聚苯乙烯 基介孔-微孔炭微球粒徑在Ium左右，通過BET法計算，比表面積為1168~1476m 2/g，孔容 為1. 069~I. 341cm3/g，而且制備工藝簡單，價格低廉，工業(yè)化生產(chǎn)易實現(xiàn)。 當(dāng)介孔-微孔炭微球用于超級電容器電極材料時，在水系電解液中獲得的比電容 為132. 5~175. 6F/g，相對于普通的純炭材料，本專利技術(shù)所制備出的材料作為電極材料具有 更優(yōu)異的性能。聚磷酸銨中富含N、P原子，線性的聚磷酸銨易溶于水，在苯乙烯聚合的同時 均勻分散于聚苯乙烯微球中，碳化時部分分解為小分子氣體而致孔，利于微孔的形成及介 孔孔道的擴(kuò)大；另一方面少量的N、P原子摻雜，還可起到降低電極材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻、接 觸電阻，并引入贗電容來提高材料的比電容及能量密度。而且這種作用是十分明顯的。 本專利技術(shù)中聚磷酸銨能夠有效的對所得聚苯乙烯基多孔炭進(jìn)行造孔，無需活化即可 生成大量的微孔，使樣品的比表面積得到極大的提高，最高可達(dá)1476m 2/g以上。本專利技術(shù)采 用聚磷酸銨作為多功能助劑，還可以在炭材料中引入氮元素及磷元素，改善材料的親水性， 從而提高炭材料比表面積的利用率，增強(qiáng)雙電層電容，大大增強(qiáng)炭材料的雙電層電容，所以 本專利技術(shù)高比表面積聚苯乙烯基介孔-微孔炭微球可用作優(yōu)秀的超級電容器電極材料。 進(jìn)一步的，將正庚烷分為第一份和第二份，第一份和第二份的體積比為75 :18 ;將 四氯化碳分為第一份和第二份，第一份和第二份的體積比為18 :75,這樣采用液相濃差交 聯(lián)法是為了保持微球良好的球形度、粒徑單分散，防止溶并現(xiàn)象的出現(xiàn)。 進(jìn)一步的，步驟（4)中在氫氟酸刻蝕模板劑過程中，以300r/min的轉(zhuǎn)速劇烈攪拌 使其刻蝕完全。 進(jìn)一步的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種超級電容器用高比表面積介孔?微孔炭微球的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將PVPK?30和SBA?15溶于乙醇中，得到溶液A；將聚磷酸銨溶于水中，得到溶液B；將溶液A和溶液B加入到反應(yīng)器中，然后將苯乙烯和AIBN混合均勻后，滴入到反應(yīng)器中，攪拌下繼續(xù)反應(yīng)10～15h后，結(jié)束反應(yīng)自然冷卻至室溫，得到乳液；將乳液進(jìn)行分離、干燥，得到白色粉末狀產(chǎn)品，即為聚苯乙烯微球；其中，PVPK?30、SBA?15、聚磷酸銨、苯乙烯、AIBN的比為(1～3)g：(1～5)g：(1～5)g：(18～20)g：(0.1～0.5)g；(2)將聚苯乙烯微球和無水氯化鋁混合均勻后加入到反應(yīng)容器中，然后加入正庚烷，攪拌下混勻后，再滴加四氯化碳，滴畢后于55～65℃下交聯(lián)反應(yīng)12～16h后老化，得到交聯(lián)聚苯乙烯微球；其中，聚苯乙烯微球：無水三氯化鋁：四氯化碳：正庚烷的用量比為(5～10)g：(2～5)g：(50～100)mL：(50～100)mL；(3)將交聯(lián)聚苯乙烯微球在惰性氣體保護(hù)下碳化，得到聚苯乙烯基炭材料；(4)將聚苯乙烯基炭材料加入到氫氟酸中，攪拌以使刻蝕完全，然后過濾、水洗、干燥得到聚苯乙烯基介孔?微孔炭微球。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蔡江濤，陳晨，邱介山，周安寧，張亞婷，
申請(專利權(quán))人：西安科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61