一种聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料及其制备方法和应用

本发明涉及碳基材料，尤其涉及一种聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、碳基超级电容器由于其具有功率密度高、循环寿命长、安全性能高、价格低廉等优点，而被广泛应用于新能源汽车、便携式电子设备、记忆性存储器、航空军事等领域。其中，酚醛基碳材料具有较高的比表面积、良好的孔道结构、以及优异的化学稳定性和导电性能，有望成为高电化学储能性能的碳基超级电容器材料。

2、然而，现有技术中公开的酚醛基碳材料制备方法，比如：1)通过将嵌段式聚醚f127、石墨烯、间苯二酚按一定比例混合，高温聚合后得到前驱体材料，在氮气气氛下820～880℃碳化2～4h后获得酚醛基碳材料，但是上述制备方法复杂，操作繁琐，且无法有效改善碳材料碳骨架元素与表面性质；2)以苯酚和甲醛等单体分子通过合成反应制得酚醛基碳材料，但是该方法制得的酚醛基碳材料在高温活化后，难以形成多孔结构，不利于其作为碳基超级电容器材料使用。也就是说，上述方法均难以获得具有良好孔道结构、较高比表面积的材料，导致制备的材料难以作为高电化学储能性能的碳基超级电容器材料使用。

3、为此，本发明提供一种聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料及其制备方法和应用。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料及其制备方法和应用，且本发明通过选用结构中含有硫元素的噻吩甲醛作为单体之一，将其与另一单体间苯二酚在催化剂的作用下聚合，使得在原位碳骨架上掺杂硫元素，形成碳骨架上含有硫元素的前驱体，进而能够改善碳材料碳骨架元素与表面性质；再通过对碳骨架上含有硫元素的前驱体进行高温活化，进而获得含硫量较高的聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料，且本发明采用的噻吩甲醛上的硫原子，在高温活化过程中也参与到多孔结构的形成过程中，有利于本发明的碳材料形成丰富的孔道结构。且本发明制备的聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料呈现出蜂窝状的微观形貌、较大的比表面积、丰富的孔道结构、较高的含硫量，具有优异的电化学储能性能，能够将其作为超级电容器电极材料使用。

2、本发明的一种聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料及其制备方法和应用是通过以下技术方案实现的：

3、本发明的第一个目的是提供一种聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，将间苯二酚、噻吩甲醛均匀分散于有机溶剂中，随后加入催化剂混匀，获得混合溶液；

5、步骤2，将所述混合溶液于50～90℃下进行聚合反应，获得碳骨架上连接有硫的前驱体；

6、步骤3，将所述前驱体与活化剂混合后，在惰性气体的条件下进行活化处理，即获得所述聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料。

7、进一步地，所述催化剂为碳酸钠、碳酸氢钠和氨水中的任意一种。

8、进一步地，所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、二氧化碳和水蒸汽中的任意一种。

9、进一步地，当活化剂为二氧化碳或水蒸汽时，活化剂的流量为10～200ml/min；

10、当活化剂为氢氧化钾或氢氧化钠时，所述前驱体与活化剂的质量比为1:0.1～3。

11、进一步地，所述混合溶液中，间苯二酚与噻吩甲醛、催化剂的摩尔浓度比为1:0.1～1:0.01～0.1。

12、进一步地，所述聚合反应的反应时间为24～96h。

13、进一步地，所述活化处理的保温时间为1～5h，且升温速率为2～5℃/min。

14、进一步地，步骤1中，所述有机溶剂为乙醇。

15、本发明的第二个目的是提供一种上述制备方法制备的聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料。

16、本发明的第三个目的是提供一种上述聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料在超级电容器中的应用。

17、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

18、本发明选用结构中含有硫元素的噻吩甲醛、以及间苯二酚作为单体，使二者在催化剂的作用下聚合，进而实现在原位碳骨架上掺杂硫元素，形成碳骨架上含有硫元素的前驱体，再通过对碳骨架上含有硫元素的前驱体进行高温活化，进而获得含硫量较高的聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料。且本发明采用的噻吩甲醛上的硫原子，在高温活化过程中也参与到多孔结构的形成过程中，有利于本发明制备的碳材料形成丰富的孔道结构。

19、本发明的制备方法，无需添加模板和添加剂，合成条件简单且操作方便，有利于大规模生产。且本发明制备的聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料呈现出蜂窝状的微观形貌、较大的比表面积、丰富的孔道结构、较高的含硫量，具有优异的电化学储能性能，能够作为超级电容器电极材料使用。

20、且经实验表明，本发明所制备的聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料具有较大的比表面积，比表面积在429～1617m2/g之间，在作为超级电容器电极材料时，其比电容均在150f/g以上，且在0.2a/g的电流密度下最大比电容可达307f/g，具有极高的超级电容器电极材料应用前景。

技术特征：

1.一种聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂为碳酸钠、碳酸氢钠和氨水中的任意一种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、二氧化碳和水蒸汽中的任意一种。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，当活化剂为二氧化碳或水蒸汽时，活化剂的流量为10～200ml/min；

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，间苯二酚与噻吩甲醛、催化剂的摩尔浓度比为1:0.1～1:0.01～0.1。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的反应时间为24～96h。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理的温度为600～900℃，保温时间为1～5h，且升温速率为2～5℃/min。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述有机溶剂为乙醇。

9.一种权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备的聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料。

10.一种权利要求9所述的聚间苯二酚-噻吩甲醛基碳材料在超级电容器中的应用。

技术总结
本发明属于碳基材料技术领域，公开一种聚间苯二酚‑噻吩甲醛基碳材料及其制备方法和应用，所述制备方法为：将间苯二酚、噻吩甲醛均匀分散于有机溶剂中，随后加入催化剂混匀，获得混合溶液；将混合溶液于50～90℃下进行聚合反应，获得碳骨架上连接有硫的前驱体；将前驱体与活化剂混合后，在惰性气体下进行活化处理，即获得聚间苯二酚‑噻吩甲醛基碳材料。本发明的制备方法无需添加模板和添加剂，合成条件简单且操作方便，有利于大规模生产；且本发明制备的聚间苯二酚‑噻吩甲醛基碳材料呈现出蜂窝状的微观形貌、较大的比表面积、丰富的孔道结构、较高的含硫量，具有优异的电化学储能性能，能够作为超级电容器电极材料使用。

技术研发人员：陆文静
受保护的技术使用者：苏州卫生职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15