一种聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种植酸和盐酸共掺杂聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备方法。以植酸和盐酸作为交联剂和掺杂剂，过硫酸铵为氧化剂，水为反应溶剂，经过真空冷冻干燥法工艺制备了具有优良性能的块状聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料。该法制备的聚合物气凝胶/竹基活性炭复合材料具有多级孔隙率的3D互联网络，并且具有大的表面积和孔体积，制备工艺简单，成本低，所制备的气凝胶复合材料具有高的导电性。

Preparation of polyaniline aerogel / bamboo based activated carbon composites

【技术实现步骤摘要】
一种聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备方法
本专利技术属于聚合物3D纳米多孔复合材料制备
，具体涉及一种植酸和盐酸共掺杂聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备方法。
技术介绍
对于导电高分子，很多研究者专注于其本体材料的研究，但是本体材料往往具有较差的力学性能以及较低的比表面积，极大的影响了性能进而限制其应用范围，作为超级电容器材料时，聚苯胺合成简单，原料易得，化学稳定性好，电容特性高，以及独特的快速可逆掺杂机制，是最有希望应用于超级电容器的导电高分子材料，但是聚苯胺作为超级电容器存在了很多问题，在多次充放电过程中高分子链的稳定性较差，形态很难控制成所需形式，并且他们也以多种形式影响运输功能，聚合物的卷绕或链聚集可能通过影响链段和链间隧道效应而妨碍运输，聚苯胺处于绝缘状态时，电阻升高，大电流充放电性能差。竹基活性炭的原料易得，清洁廉价，是一种具有高比表面积、多孔结构的炭，它作为超级电容器的电极材料时，具有充放电速度快，循环寿命高，稳定性好等优点。聚苯胺气凝胶与竹基活性炭复合材料可以弥补这两种材料单独作为超级电容器的缺点与不足，复合材料兼具双电层电容和赝电容的优良特性，使其作为优良的电极材料，植酸是一种强酸，具有很强的螯合能力，有6个带负电的磷酸根基团，植酸阴离子是一种有机大体积基团，具有一次与多个链相互作用的能力，因此形成的聚合物链的延伸或卷曲趋势低于小的和非交联阴离子如氯化物，硫酸盐和硝酸盐，植酸为聚苯胺提供3D互联纳米纤维结构，同时通过良好形成和分布的孔结构容易接近离子物质，但是导电性相对不强，另一方面当盐酸单独掺杂时，盐酸产生高的多的导电性，因此我们设计植酸和盐酸共掺杂聚苯胺气凝胶三维导电网络，掺杂竹基活性炭，此方法价格低廉，可以大规模应用，合成的聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料无团聚现象。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种植酸和盐酸共掺杂聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：竹炭的制备，将一定长度的竹节沿轴向等长度的切割成竹块，用去离子水洗净，在80℃烘箱中烘24h，之后将一定质量的竹节块置于瓷舟中，移入中炭化炉进行炭化处理，炭化温度800℃，保温2~4h，炭化好的竹炭用球磨机粉粹并过筛200目。步骤二：竹基活性炭的制备，按照一定的碱炭比称取一定质量的竹炭和氢氧化钾置于镍坩埚中，移入活化炉，按照一定的升温速度至活化温度700℃~900℃，保温2~4h，随后冷却至室温，活化产物用稀盐酸和蒸馏水反复洗涤至中性后，抽滤，将抽滤产物置于80℃真空烘箱中烘12h，即得到最终产物。步骤三：聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备，苯胺与过硫酸铵的摩尔比为2:1~4:1之间，在第一个小瓶“A”中以一定的体积比加入水和植酸溶液，再加入适量的苯胺溶液，在磁力搅拌状态下，直至白色沉淀溶解为止，在第二个小瓶“B”中将水和盐酸混合均匀后，加入苯胺溶液，超声处理直至获得澄清溶液，在第三个小瓶“C”中，取一定的过硫酸铵溶解于适量的水中。步骤四：称取一定质量的竹基活性炭粉，加入第一个小瓶“A”，搅拌使其均匀，炭粉的添加量为0.1%~0.5%，将这三个小瓶中的溶液冷却至4℃，一个小时后，将A和B小瓶中的溶液混合并搅拌10秒，随后立即将C小瓶中的溶液加入上述混合物中并再搅拌10秒，溶液在3min内迅速凝胶，然后在4℃下保持不搅拌反应12h，反应结束后，用大量去离子水浸洗直至上层清液pH为中性。步骤五：将浸洗好的复合材料置于零下20℃的冰箱中冷冻12h，再置于真空冷冻干燥机中干燥72h，除去气凝胶中的水分，得到聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料。本专利技术进一步的优选方案是：在竹炭粉活化阶段，活化温度在700℃~900℃之间。本专利技术进一步的优选方案是：植酸溶液与苯胺混合后，要在磁力搅拌作用下充分混合，且沉淀完全溶解。本专利技术进一步的优选方案是：盐酸溶液与苯胺混合后要超声以得到澄清溶液，苯胺完全被盐酸质子化。本专利技术进一步的优选方案是：竹基活性炭粉的添加量在0.1%~0.5%之间。本专利技术提供了一种聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备方法，通过使用植酸和盐酸共掺杂，既提高了聚苯胺气凝胶的导电性，也保证了气凝胶的分级多孔3D网络结构，同时与竹基活性炭复合，弥补了聚苯胺气凝胶和竹基活性炭单独作为超级电容器的缺点与不足，复合材料兼具双电层电容和赝电容的优良特性。附图说明图1为本专利技术实施例1制备所得到的聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的宏观照片。图2为本专利技术实施例1制备所得的竹基活性炭的扫描电镜照片（SEM）。图3为本专利技术实施例1制备所得到的聚苯胺气凝胶的扫描电镜照片（SEM）。图4为本专利技术实施例1制备所得到的聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的扫描电镜照片（SEM）。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。实施例1将一定长度的竹节沿轴向等长度的切割成竹块，用去离子水洗净，在80℃烘箱中烘24h，之后将一定质量的竹节块置于瓷舟中，移入中炭化炉进行炭化处理，炭化温度800℃，保温2h，炭化好的竹炭用球磨机粉粹并过筛200目。按照4:1的碱炭比称取一定质量的竹炭和氢氧化钾置于镍坩埚中，移入活化炉，按照一定的升温速度至活化温度800℃，保温3h，随后冷却至室温，活化产物用稀盐酸和蒸馏水反复洗涤至中性后，抽滤，将抽滤产物置于80℃真空烘箱中烘12h，即得到最终产物。苯胺与过硫酸铵的摩尔比为4:1.在第一个小瓶“A”中将3mL水和0.5mL苯胺混合，并加入1.26mL植酸（水溶液，50wt%），在磁力搅拌状态下，直至白色沉淀溶解，在第二个小瓶“B”中将3mL水和0.5mL苯胺混合，并加入2.75mL浓度为2mol·L-1盐酸，超声处理直至获得澄清溶液，在第三个小瓶“C”中，取0.615g过硫酸铵溶解于2mL的水中。称取一定质量的竹基活性炭粉（炭粉含量为0.1%），并加入第一个小瓶“A”，搅拌使其均匀，将这三个小瓶中的溶液冷却至4℃，一个小时后，将A和B小瓶中的溶液混合并搅拌10秒，随后立即将C小瓶中的溶液加入上述混合物中并再搅拌10秒，溶液在3min内迅速凝胶，然后在4℃下保持不搅拌12h，反应结束后，用大量去离子水浸洗直至上层清液pH为中性。将浸洗好的复合材料置于零下20℃的冰箱中冷冻12h，再置于真空冷冻干燥机中干燥72h，除去气凝胶中的水分，得到聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料。如附图1宏观照片所示，用该方法制备的复合气凝胶为墨绿色、块状。附图2为实例1制备所得到的竹基活性炭的SEM照片，从图片中可以看出该产品仍然具有一些微米级的完整的孔道。附图3为实例1所制备的聚苯胺气凝胶的SEM照片，从图中可以看出该产品具有3D网络多孔结构。附图4为实例1所制备的聚苯胺气凝胶/竹基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.提供一种聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：/n步骤一：竹炭的制备，将一定长度的竹节沿轴向等长度的切割成竹块，用去离子水洗净，在80℃烘箱中烘24 h，之后将一定质量的竹节块置于瓷舟中，移入中炭化炉进行炭化处理，炭化温度800℃，保温2~4h，炭化好的竹炭用球磨机粉粹并过筛200目。/n

【技术特征摘要】
1.提供一种聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：竹炭的制备，将一定长度的竹节沿轴向等长度的切割成竹块，用去离子水洗净，在80℃烘箱中烘24h，之后将一定质量的竹节块置于瓷舟中，移入中炭化炉进行炭化处理，炭化温度800℃，保温2~4h，炭化好的竹炭用球磨机粉粹并过筛200目。


2.步骤二：竹基活性炭的制备，按照一定的碱炭比称取一定质量的竹炭和氢氧化钾置于镍坩埚中，移入活化炉，按照一定的升温速度至活化温度700℃~900℃，保温2~4h，随后冷却至室温，活化产物用稀盐酸和蒸馏水反复洗涤至中性后，抽滤，将抽滤产物置于80℃真空烘箱中烘12h，即得到最终产物。


3.步骤三：聚苯胺气凝胶/竹基活性炭复合材料的制备，苯胺与过硫酸铵的摩尔比为2:1~4:1之间，在第一个小瓶“A”中以一定的体积比加入水和植酸溶液，再加入适量的苯胺溶液，在磁力搅拌状态下，直至白色沉淀溶解为止，在第二个小瓶“B”中将一定的水和盐酸混合均匀后，加入苯胺溶液，超声处理直至获得澄清溶液，在第三个小瓶“C”中，取一定的过硫酸铵溶解于水中。


4.步骤四：称取一定质量的竹基活性炭粉，加入第一个小瓶“A”，搅拌使其均匀，炭粉的添加量为0.1%~0.5%，将这三个小瓶中的溶液冷却至4℃，一个小时后，将A和B小瓶中的溶液混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓红，孙象雨，刘杏娥，马建峰，尚莉莉，
申请(专利权)人：北京化工大学，国际竹藤中心，
类型：发明
国别省市：北京;11