一种聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的制备方法和应用与流程

本发明属于新能源电子材料技术领域，涉及一种聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的制备方法和应用。

背景技术：

聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯 ，是主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称，其含有大量的氨基甲酸酯基团，可以做为前驱体来制备含氮活性碳材料。J. Hayashi等人用KOH在800^oC下对聚氨酯进行活化，得到了比表面积可达2800m²/g的活性碳材料（J. Hayashi, N.Yamamoto, T.Horikawa, K.Muroyama, V.G.Gomes, Preparation and characterization of high-specific-surface-area activated carbons from K2CO3-treated waste polyurethane, Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 281, 437-443）。Chwang等人使苯胺在聚氨酯上原位生长，得到了一种高介电常数（1120）的复合物（Ching-Piou Chwang, Cheng-Dar Liu, Sung-Wei Huang, Dean-Yang Chao, Sung-Nung Lee, Synthesis and characterization of high dielectric constant polyaniline/polyurethane blends, Synthetic Metals, 2004, 142, 275-281）。Tai等人通过石墨烯和聚氨酯复合，得到了一种电性能比较好的超级电容器电极材料，在1A/g的比电容为156F/g（Zhixin Tai, Xingbin Yan, Qunji Xue, Shape-alterable and -recoverable graphene/polyurethane bi-layered composite film for supercapacitor electrode, Journal of Power Sources, 2012, 213, 350-357 ）。

中国专利文献CN104843673A公开了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将聚氨酯材料进行清洗、干燥后备用；（2）将步骤（1）得到的聚氨酯材料浸渍于活化剂溶液中1~72h；或者直接将活化剂与聚氨酯材料按质量比为1:1~7:1的比例将两者混合均匀，然后在惰性气体保护下于300~1500^oC碳化0.5~4小时，自然冷却至室温；（3）将步骤（2）得到的产物用稀酸溶液或稀碱溶液洗1~3次，然后用水洗涤至pH为中性；（4）将步骤（3）得到产物在70~130^oC的空气中干燥1~72h后，得到多孔碳材料。但是该方法得到的多孔碳材料做电极材料时，比电容较低，当以6mol/L的KOH为电解液，恒流放电电流密度在0.125A/g时比电容仅为287F/g。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种比电容高、循环性能好的聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的制备方法和应用。

本发明的技术方案如下：

根据本发明，一种聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的制备方法，包括步骤如下：

（1）把多元醇组分和扩链剂组分混合，在110^oC下抽真空，半小时后降温至60^oC；

（2）加入异氰酸酯混合并浇铸成型，80^oC~120^oC反应20小时，得到聚氨酯材料；

（3）将步骤（2）得到的聚氨酯材料在氩气保护下，于500^oC碳化2h；

（4）将步骤（3）所得到的碳材料浸渍于KOH溶液中6~48h，然后在氩气保护下于600^oC~800^oC活化1h~4h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为1:1~3:1；

（5）将步骤（4）得到的产物用稀酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；

（6）将步骤（5）得到的产物在40^oC~80^oC下干燥12~24h后，即得聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料。

根据本发明，优选的，步骤（1）中的多元醇是聚醚多元醇3600、聚醚多元醇3628，其中聚醚多元醇3600、聚醚多元醇3628可以通过商业途径获得。

根据本发明，优选的，步骤（1）中的扩链剂为E300，其可以通过商业途径获得。

根据本发明，优选的，步骤（2）中的异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯。

根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的反应温度是100^oC。

根据本发明，优选的，步骤（4）中所述的活化温度是750^oC。

根据本发明，优选的，步骤（4）中所述的碳材料与KOH的质量比是2:1。

根据本发明，优选的，步骤（4）中所述的活化时间是2h。

一种聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的应用，用于超级电容器的电极材料。

本发明的技术优势如下：

(1) 本发明制备过程简单，具有可控性，可以通过控制聚氨酯与KOH的比例来控制碳材料的比表面积及孔结构。

(2) 本发明制备得到的聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料具有结构稳定、电化学性能优异、循环性能好以及比电容量高等优点，非常适合作为电极材料应用于超级电容器领域。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的扫描电镜图。

图2为本发明实施例1制得的聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的恒电流充放电图。

图3为本发明实施例1制得的聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的能量-功率密度图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不限于此。

同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1：

把40份聚醚多元醇3600、20份聚醚多元醇3628和10份扩链剂E300混合，在110^oC下抽真空，半小时后降温至60^oC；然后，加入65份二苯基甲烷二异氰酸酯混合并浇铸成型，80^oC反应20小时，得到聚氨酯材料；得到的聚氨酯材料在氩气保护下，于500^oC碳化2h；

将碳化的聚氨酯材料浸渍于KOH溶液中24h，然后在氩气保护下于750^oC活化2h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为2:1

将得到的产物用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在40^oC下干燥24h后，得到聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料。

采用三电极体系，以6mol/L氢氧化钾溶液为电解液，1A/g测得比电容为395F/g，稳定性较好。

本实施例制得的聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的扫描电镜图如图1所示，由图1可知聚合物是由类球状物质堆积而成的三维网状结构。

本实施例制得的聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的恒电流充放电如图2所示，由图2可知，1A/g测得比电容为395F/g，0.5A/g测得比电容为682F/g，2A/g测得比电容为337F/g，3A/g测得比电容为311F/g，稳定性较好。

本实施例制得的聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料的能量-功率如图3所示，由图3可知，该材料的的功率密度为1440W kg^-1时，能量密度为74.2Wh kg^-1。

实施例2：

把40份聚醚多元醇3600、20份聚醚多元醇3628和10份扩链剂E300混合，在110^oC下抽真空，半小时后降温至60^oC；然后，加入65份二苯基甲烷二异氰酸酯混合并浇铸成型，80^oC反应20h，得到聚氨酯材料；得到的聚氨酯材料在氩气保护下，于500^oC碳化2h；

将碳化的聚氨酯材料浸渍于KOH溶液中24h，然后在氩气保护下于750^oC活化2h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为1:1；

用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在40^oC下干燥24h后，得到聚氨酯基多孔碳超级电容器电极材料。

采用三电极体系，以6mol/L氢氧化钾溶液为电解液，1A/g测得比电容为197F/g，稳定性较好。

实施例3：

把40份聚醚多元醇3600、20份聚醚多元醇3628和10份扩链剂E300混合，在110^oC下抽真空，半小时后降温至60^oC；然后，加入65份二苯基甲烷二异氰酸酯混合并浇铸成型，80^oC反应20小时，得到聚氨酯材料；得到的聚氨酯材料在氩气保护下，于500^oC碳化2h；

将碳化的聚氨酯材料浸渍于KOH溶液中24h，然后在氩气保护下于750^oC活化2h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为3:1

用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在40^oC下干燥24h后，得到聚氨酯基多孔超级电容器电极材料。

采用三电极体系，以6mol/L氢氧化钾溶液为电解液，1A/g测得比电容为327F/g，稳定性较好。

实施例4：

把40份聚醚多元醇3600、20份聚醚多元醇3628和10份扩链剂E300混合，在110^oC下抽真空，半小时后降温至60^oC；然后，加入65份二苯基甲烷二异氰酸酯混合并浇铸成型，120^oC反应20小时，得到聚氨酯材料；得到的聚氨酯材料在氩气保护下，于500^oC碳化2h；

将碳化的聚氨酯材料浸渍于KOH溶液中24h，然后在氩气保护下于600^oC活化1h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为2:1

用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在40^oC下干燥24h后，得到聚氨酯基多孔超级电容器电极材料。

采用三电极体系，以6mol/L氢氧化钾溶液为电解液，1A/g测得比电容为182F/g，稳定性较好。

实施例5：

把40份聚醚多元醇3600、20份聚醚多元醇3628和10份扩链剂E300混合，在110^oC下抽真空，半小时后降温至60^oC；然后，加入65份二苯基甲烷二异氰酸酯混合并浇铸成型，100^oC反应20小时，得到聚氨酯材料；得到的聚氨酯材料在氩气保护下，于500^oC碳化2h；

将碳化的聚氨酯材料浸渍于KOH溶液中24h，然后在氩气保护下于800^oC活化4h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为2:1

用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在40^oC下干燥24h后，得到聚氨酯基多孔超级电容器电极材料。

采用三电极体系，采用6mol/L氢氧化钾溶液为电解液，1A/g测得比电容为306F/g，稳定性较好。