一种聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料的制备及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料的制备方法，是将聚离子液体PCMVImTf2N与玉米醇溶蛋白溶解在DMF中，得到均匀透明的黄色溶液；将DMF挥发除去，再将所得固体复合物加入到氨水乙醇溶液中进行去质子化，形成静电交联的复合材料前体，干燥后复合材料前体在氩气保护下进行高温碳化，得到聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料ZPIL。通过TEM等表征，显示ZPIL复合碳材料具有较高的比表面积，是一种新型N，S共掺杂的介孔材料。电化学性能测试表明，ZPIL‑X碳材料具有良好的导电性和电化学性能，作为超级电容器电极材料，具有较高的比电容，较好的充放电能力和较好的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料的制备及应用
本专利技术涉及一种碳材料的制备，尤其涉及一种以聚离子液体PCMVImTf2N与天然高分子玉米醇溶蛋白（zein）为原料制备复合碳材料PCMVImTf2N/Zein的方法，主要用于作为超级电容器电极材料。
技术介绍
近年来，因为能源危机及环境的污染，清洁高效的能源开发已经是迫在眉睫。而太阳能、风能等属于间歇性能源，在使用消耗前需要进行存储，因此需要依赖高效的储能设备。二次锂电池是目前市场最普遍的储能装备，它是通过先将电能转化成化学能储存在装置中，再由化学能转化成电能供电器工作。但是锂电池经过多次充放电后利用率会有所降低，同时电池的循环寿命低，废弃后容易对环境造成二次污染。与锂电池相比，超级电容器具有很多的优势，例如超长的寿命、较高的功能密度等。它通常应用于工业电力和能源管理、内存备份系统和电动汽车与混合动力汽车中的再生制动系统。超级电容器的电极材料主要分为三类：（1）金属氧化物或金属氢氧化物；（2）导电聚合物；（3）碳材料。在众多的电极材料中，碳材料因其制备简单、微结构易调控、比表面积较高、良好的导电性及稳定性而备受广泛研究者的兴趣。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种玉米醇溶蛋白/聚离子液体复合碳材料的制备方法；本专利技术的另一目的是对上述制备的碳材料的电容性能进行研究。一、碳材料ZPIL的制备将聚离子液体PCMVImTf2N与玉米醇溶蛋白溶解在DMF中，得到均匀透明的黄色溶液；挥发除去DMF后将所得固体复合物加入到质量浓度为0.1~0.5%的氨水乙醇溶液中进行去质子化1~2h，形成静电交联的复合材料前体；复合材料前体干燥后在氩气保护下进行高温碳化，得到复合碳材料PCMVImTf2N/Zein，记为ZPIL-X，其中X代表不同的质量比例。聚离子液体PCMVImTf2N与玉米醇溶蛋白的质量比为9:1~11:1。高温碳化的温度为800~1000℃，升温速度为10℃/分钟，并在800~1000℃保持0.5~1h。二、碳材料ZPIL-X的结构1、SEM和TEM分析图1（a）是ZPIL-10通过扫描电镜拍摄的ZPIL-10形貌图，可以看到ZPIL-10的表面粗糙，同时界面具有孔状结构。图1（b）是ZPIL-10的TEM图，从图中可以看到ZPIL-10具有多孔结构，这种内部结构更有利于内部的电子传输，从而有利于电化学性质。2、ZPIL-X材料的XRD分析碳材料ZPIL-9、ZPIL-10、ZPIL-11的XRD谱图如图2所示。从图2中可以看出ZPIL-9，ZPIL-10，ZPIL-11在2θ=24.1°和43.8°出现两个衍射峰，分别对应的是002晶面和100晶面，表明ZPIL-X是无定型碳结构；玉米醇溶蛋白在掺杂过程中，导致ZPIL-X碳材料结晶度低，石墨化程度不高。3、ZPIL-X材料的BET分析图3是ZPIL-X碳材料的氮气吸附脱附曲线（a）和孔径分布曲线（b）。从图3（a）中可以看出，ZPIL-X碳材料的等温线是Ⅳ型同时滞留环为H2型，表明ZPIL-X碳材料是以介孔为主的多孔材料。说明利用聚离子液体本身的结构做前驱体，经过高温碳化后，成功的制备得到了孔状结构，从而避免了制备模板和去模板的繁琐。图3（b）可以明确得到ZPIL的尺寸分布广泛，以介孔为主，同时还有大孔的存在，从而有利于电子的传输和电化学性能。4、ZPIL-X材料的XPS分析通过X射线光电子能谱仪对ZPIL-X系列的碳材料进行元素分析（图4），其结果如表1所示，通过表中的数据我们发现，ZPIL-X中主要有C，N，O，S四种元素，F元素未检测到，可能在1000℃条件碳化时，F元素丢失。其中ZPIL-10的氮含量为2.48%，硫含量为0.41%。相比于ZPIL-9和ZPIL-11的硫含量0.25%和0.31%，ZPIL-10明显高出很多，可以得到玉米醇溶蛋白在掺杂过程中，玉米醇溶蛋白和聚离子液体PCMVImTf2N质量比为1:10时，S的含量最高，孔的比表面积最大。同时与在同等条件碳化的玉米醇溶蛋白及聚离子液体PCMVImTf2N相比较，可以看出玉米醇溶蛋白中的氮明显的掺杂进了ZPIL-10的结构中，从而更好的有利于碳材料的化学性质。三、碳材料ZPIL-X的电化学性能测试ZPIL-X的电化学性能测试在CHI660e电化学工作站（辰华，上海）上进行，包括恒电流充/放电曲线（GCD）、循环伏安曲线（CV）、电化学阻抗谱（EIS），均在室温下进行测试。在三电极体系测试中以负载碳材料的泡沫镍（1cm×1cm）作为工作电极，Hg/HgO电极作为参比电极，铂片作为对电极，2MKOH作为电解液。工作电极的制备的方法：按照质量比8:1:1的比例称取活性材料（ZPIL-X）、聚四氟乙烯（PTFE）和乙炔黑，混合后研磨，再滴加适量的异丙醇，以使该混合物形成均匀的泥浆并涂在工作面积为1.0cm2的泡沫镍上，60℃干燥4h，以15MPa的压力进行压片，即得到待测电极。碳材料循环伏安曲线的电压窗口为-1-0.2V，扫面速率为100mVs-1下测得。恒电流充/放电在电流密度为0.1，0.2，0.3，0.5，1，2Ag-1。电压窗口为0-0.8V下测得，交流阻抗测试频率范围105~0.1Hz。图5（a）比较了五种碳材料（ZPIL-9、ZPIL-10、ZPIL-11、纯PCMVImTf2N和zein）在扫描速度为100mV/s、测试电压范围为-1~0.2V的循环伏安曲线。从图中可以得到，不同质量比例的碳材料都表现出类矩形，说明ZPIL-X碳材料都具有较好的双电层电容性能，基于比电容的大小和循环伏安曲线的面积成正比关系，所以可以得出ZPIL-10具有最大的比电容量。说明玉米醇溶蛋白与离子液体PCMVImTf2N在质量比1:10时，玉米醇溶蛋白中的杂原子对碳材料的贡献最大。同时，也进一步证明了利用聚离子液体本身的结构做前驱体，经过高温碳化后，成功的制备得到了孔状结构碳材料，促进了电解质离子的传输，从而表现出良好的化学性能。图5（b）是ZPIL-10在扫描速度范围为10~500mV/s时的循环伏安曲线。从图中可以得到，随着扫速的增大，类矩形面积增大，但矩形形状几乎没有什么大的变化，说明碳材料ZPIL-10具有良好的导电性。图6为ZPIL-X碳材料恒电流充放电过程的性能图。其中（a）为ZPIL-X碳材料在电流密度为0.1A/g时的充放电曲线，（b）为ZPIL-10在不同电流密度下的充放电曲线，（c）为电流密度为0.1A/g时，ZPIL-X碳材料的比电容，（d）为在不同电流密度下ZPIL-10的比电容和电容保持率。从图a可以看出由Zein制备的碳材料充放电时间最短，而ZPIL-10的充放电时间最长，表明ZPIL-10具有最高的电容容量。从图6（c）中可以看出，相比于纯玉米蛋白的比电容117Fg-1和纯离子液体的比电容233Fg-1，ZPIL-10的比电容最大可以达到338Fg-1。这是由于ZPIL-10较大的比表面积，为双电层电容的形成提供了较多的活性位点，而导致较高的比电容。图b为ZPIL-10在电流密度为0.1-2A/g条件下的充放电过程，显示充电曲线良好的对应于放电曲线，反映出较好的充放电能力。通过图（d）所示了ZPIL-10在电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料的制备方法，是将聚离子液体PCMVImTf2N与玉米醇溶蛋白溶解在DMF中，得到均匀透明的黄色溶液；挥发除去DMF后将所得固体复合物加入到氨水乙醇溶液中进行去质子化，形成静电交联复合材料前体，干燥后的复合材料前体在氩气保护下进行高温碳化，得到聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料的制备方法，是将聚离子液体PCMVImTf2N与玉米醇溶蛋白溶解在DMF中，得到均匀透明的黄色溶液；挥发除去DMF后将所得固体复合物加入到氨水乙醇溶液中进行去质子化，形成静电交联复合材料前体，干燥后的复合材料前体在氩气保护下进行高温碳化，得到聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料。2.如权利要求1所述一种聚离子液体/玉米醇溶蛋白复合碳材料的制备方法，其特征在于：聚离子液体PCMVImTf2N与玉米醇溶蛋白的质量比为9:1~11:1。3.如权利要求1所述一种聚离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊玉兵，宋红红，宋鹏飞，王荣民，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33