基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳的制备方法与流程

本发明涉及基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术：

多孔碳材料具有性质稳定、比表面积大、孔隙结构丰富以及突出的离子可及性等优点，吸引广大研究者的注意力，已被广泛用作储能材料如超级电容器等。然而，由于在高温下的碳化或活化，多孔碳内部和外部疏水性表面上存在较少的官能团而降低了它们的性能。经研究表明，可以通过在碳基质中掺杂氮等杂原子来改善多孔碳的疏水性质。含氮基团通常呈碱性，通过偶极-偶极、氢键和共价键增强碳材料表面的亲水作用。传统制备方法有些只是在材料的表面进行开孔，并未利用材料内部的活性，而有些碳纤维在炭化的过程中容易发生团聚，从而降低材料的活性位点。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳的制备方法，而我们的碳材料具有多级孔结构，内部和表面都有孔洞，同时我们还加入了植酸，引入p元素，使得我们的多孔炭化聚苯胺不仅可以增加材料的比表面积，还引入杂原子来增加材料的活性位点，增加离子传导能力。其具体技术方案如下：

基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维

步骤1a：取植酸和去离子水混合，形成植酸水溶液，向植酸水溶液中加入苯胺单体和sio2，超声使其混合均匀溶液呈透明状，得到混合溶液；

步骤1b：取过硫酸铵溶解在去离子水中，溶解均匀，得到硫酸铵溶液；

步骤1c：将步骤1a得到的混合溶液和步骤1b得到的硫酸铵溶液冷却，待均冷却到0-5^oc时，将步骤1a得到的混合溶液和步骤1b得到的硫酸铵溶液混合反应，混合反应过程中，保持混合反应环境的温度不变，静置，直到反应完全，得到聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维产物；

步骤1d：将步骤1c得到的聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维产物用去离子水洗净杂质，离心弃上层清液，待杂质清洗完全后，分散在去离子水中，得到聚苯胺(sio2/pani)溶液，待用，该聚苯胺(sio2/pani)溶液含有sio2；

步骤2：改性聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维

步骤2a：取部分步骤1d制得的聚苯胺(sio2/pani)溶液，向聚苯胺(sio2/pani)溶液中加入去离子水和氨水，用超声将其分散均匀，分散均匀后，采用离心的方式弃去上层清液，得到湿润的聚苯胺(sio2/pani)；

步骤2b：向步骤2a得到的湿润的聚苯胺(sio2/pani)中加入去离子水，充分搅拌后，采用离心的方式弃去上层清液，得到湿润的聚苯胺(sio2/pani)；

步骤2c：重复步骤2b，直到将聚苯胺(sio2/pani)水洗干净；

步骤3：改性聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维材料合成

步骤3a：取步骤2c得到的聚苯胺(sio2/pani)，将其分散于去离子水和乙醇的混合溶液中，待分散完全后，再向其中加入正硅酸乙酯，搅拌；

步骤3b：待步骤3a充分搅拌后，再向其中加入氨水，并充分搅拌反应，得到改性聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维，采用离心的方法去除上层清液，得到湿润的改性聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维；

步骤3c：将步骤3b制得的湿润的改性聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维用去离子水和无水乙醇清洗干净，离心弃去上清液，并采用冷冻的方式干燥，得到干燥的改性聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维；

步骤4：合成聚苯胺纳米纤维的多孔碳

将步骤3c得到的干燥的改性聚苯胺(sio2/pani)纳米纤维置于坩埚中，在氮气保护下，煅烧，直到制得聚苯胺纳米纤维的多孔碳；

步骤5：去除sio2球

取步骤4制得的聚苯胺纳米纤维的多孔碳，置于容器中，向容器中加入氢氧化钠，并加热搅拌，直到sio2球，溶解完全。

所述步骤4中的煅烧温度不低于1000^oc，煅烧时间为2小时。

所述步骤5中的容器选用锥形瓶。

所述步骤5中的加热搅拌不少于4小时，即可实现溶解完全。

所述步骤3b中搅拌反应时间不少于3小时。

所述步骤2c中重复水洗的次数不低于2次。

所述步骤1a中植酸水溶液中植酸的质量比为16wt%，植酸和苯胺的摩尔比为1:5。

所述步骤1c中静置的时间不少于12小时。

所述步骤1c中苯胺单体与过硫酸铵的摩尔比为4:1。

本发明的工作原理是：利用aps使得苯胺发生氧化聚合，形成聚苯胺纳米纤维，加入植酸引入磷元素掺杂，修饰氨基加入正硅酸乙酯，水解后在聚苯胺外层包裹二氧化硅小颗粒，保证材料在炭化的过程中不发生团聚并且得到良好的孔结构。

本发明的有益效果是：传统制备方法有些只是在材料的表面进行开孔，并未利用材料内部的活性，而有些碳纤维在炭化的过程中容易发生团聚，从而降低材料的活性位点。而我们的碳材料内部和表面都有孔洞，同时我们还加入了植酸，引入p元素，这样我们的多孔炭化聚苯胺不仅可以增加材料的比表面积，还引入杂原子来增加材料的活性位点，增加离子传导能力。

附图说明

图1是实施例1制备得到的基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳的tem照片。

图2是实施例2制备得到的基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳的tem照片。

图3是实施例3制备得到的基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳的tem照片。

图4为材料的充放电曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

下面给出基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳的制备方法的三个实施例：

实施例1

（1）sio2/聚苯胺(sio2/pani)纤维的制备

向西林瓶中加入去0.921ml植酸和2ml去离子水，再加入0.458ml苯胺单体和0.05mlsio2超声使其混合均匀，称取0.286g过硫酸铵溶解在1ml去离子水中，将上述两种溶液冷却到0-5^oc后混合反应，保持温度不变静置12h。得到sio2/pani产物，将产物用去离子水洗净杂质，分散在9ml去离子水中待用。

（2）sio2/pani的改性

取上述3mlsio2/pani溶液，加入12ml去离子水和0.3ml氨水超声分散，离心弃去上层清液后，向该湿润的sio2/pani中加入20ml去离子水，搅拌12h。离心弃去上层清液，水洗2次。

（3）sio2/pani/sio2材料合成

将上述产物分散于10ml去离子水和40ml乙醇中，向该溶液中加入0.6mlteos，搅拌1h。向该溶液中加入0.5g氨水，搅拌反应3h后，用去离子水及无水乙醇洗净，冷冻干燥。

（4）多孔炭化聚苯胺纳米纤维合成及模板sio2去除

取上述制备的sio2/pani/sio2置于坩埚中，在氮气保护下，1000^oc煅烧2h即可制备多孔sio2/n,p-carbon/sio2材料。

sio2球的去除：取上述材料一定量于锥形瓶中，向锥形瓶加入一定量的氢氧化钠，加热搅拌4h以确保除尽sio2球。

如图1所示的tem形貌特征图可见：取得的基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳，加入sio2的量为0.05ml。

实施例2

（1）sio2/聚苯胺(sio2/pani)纤维的制备

向西林瓶中加入去0.921ml植酸和2ml去离子水，再加入0.458ml苯胺单体和0.1mlsio2超声使其混合均匀，称取0.286g过硫酸铵溶解在1ml去离子水中，将上述两种溶液冷却到0-5^oc后混合反应，保持温度不变静置12h。得到sio2/pani产物，将产物用去离子水洗杂质，分散在9ml去离子水待用。

（2）sio2/pani的改性

与实施例1的方法相同。

（3）sio2/pani/sio2材料合成

与实施例1的方法相同。

（4）多孔炭化聚苯胺纳米纤维合成及模板sio2去除

与实施例1的方法相同。

如图2所示的tem形貌特征图可见：取得的基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳，加入sio2的量为0.1ml。

实施例3

（1）sio2/聚苯胺(sio2/pani)纤维的制备

向西林瓶中加入去0.921ml植酸和2ml去离子水，再加入0.458ml苯胺单体和0.2mlsio2超声使其混合均匀，称取0.286g过硫酸铵溶解在1ml去离子水中，将上述两种溶液冷却到0-5^oc后混合反应，保持温度不变静置12h。得到sio2/pani产物，将产物用去离子水洗杂质，分散在9ml去离子水待用。

（2）sio2/pani的改性

与实施例1的方法相同。

（3）sio2/pani/sio2材料合成

与实施例1的方法相同。

（4）多孔炭化聚苯胺纳米纤维合成及模板sio2去除

与实施例1的方法相同。

如图3所示的tem形貌特征图可见：取得的基于聚苯胺纳米纤维的多孔碳，加入sio2的量为0.2ml。

二、应用及效果验证：

取多孔炭化聚苯胺纳米纤维40mg，7.5mg的乙炔黑，25mg的10%聚四氟乙烯溶液，加入适量乙醇，超声分散压成电极片测其电化学性能。如图4所示，将在1000^oc下煅烧所得cpani纤维和未加sio2开孔的只加入teos的cpani-teos纤维在扫速2a/g下的充放电曲线比较，从图4对比发现，当加入sio2的量为0.1ml时，材料的比电容最高，达192f/g。说明该材料不仅具有独特的形貌结构，同时具有良好的电化学活性。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。