專利名稱：聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料及其制備方法和儲能應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料及其制備方法和超級電容器電化學儲能應用，屬于高分子材料領域。
背景技術：
導電聚吡咯是一種典型的導電聚合物，它具有其良好的化學穩定性、摻雜后高導電性、易于合成、形貌可調控等優點，在能量存儲、化學和生物傳感器、電磁屏蔽以及金屬防腐等領域有很好的應用前景。在電化學儲能應用領域，導電聚吡咯電極材料的微結構特征尤其重要，高的有效比表面積和整齊排列的納米陣列可以增加電極材料的比電容、比能量和比功率等電化學儲電性能。通常，吡咯單體的α和β位具有相近的反應能力，直接聚合過程中極易交聯形成顆粒狀聚吡咯，目前為止，具有單一納米結構特征的聚吡咯納米顆粒、 納米膜和納米線已有報道。定向排列的聚吡咯納米結構電極材料具有很好的導電性和機械強度，既提高了聚吡咯的有效比表面積，又有利于反應離子擴散和電子傳輸，而設計合成定向排列的聚吡咯復合納米結構電極材料可以進一步提高其電化學儲電性能，因而在超級電容器應用中具有很好的前景。而本發明所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料是基于聚吡咯納米柱嵌入聚吡咯納米孔中而形成的整齊排列、均勻分布、并且具有微結構柔性和形貌可調控的一種聚吡咯復合納米結構陣列材料，可以作為超級電容器電極材料進行電化學高效儲能的應用。

發明內容
本發明提供一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料及其制備方法，本發明提供一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料作為超級電容器電極材料進行電化學儲能的應用。本發明采用如下技術方案來實現上述目的本發明所述的一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料，所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料包括聚吡咯基體，在聚吡咯基體上設有呈陣列分布且兩端通透的納米孔，在納米孔內嵌入聚吡咯納米柱，聚吡咯納米柱柱面與納米孔內壁之間設有間隙。本發明所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的制備方法，首先，在二電極電化學反應體系中，鈦片作為陽極并作為工作電極，鉬片作為陰極并作為輔助電極，以氟化銨、 磷酸和乙二醇的水溶液為反應電解質溶液，采用恒電壓陽極氧化反應方法，制備管壁間隔分離的、有序且按陣列排列的二氧化鈦納米管，得到的管壁間隔分離的二氧化鈦有序納米管作為模板；然后，在三電極電化學反應體系中，二氧化鈦有序納米管模板作為電極基體材料并作為工作電極，鉬片作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極，以吡咯單體和高氯酸鋰的乙氰有機溶液為反應電解質溶液，采用調控的電聚合反應方法，聚吡咯在二氧化鈦有序納米管外壁面和管腔內依次沉積并形成基于管壁面的聚吡咯納米膜和基于管腔內的聚吡咯納米柱，得到由二氧化鈦納米管、包覆在納米管外壁面上的聚吡咯納米膜和嵌入在納米管管腔內的聚吡咯納米柱復合而成的同心軸實心結構的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料。最后，上述制備的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料為前軀體，采用化學腐蝕溶解反應方法完全去除二氧化鈦有序納米管模板，得到聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料。本發明所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料作為超級電容器電極材料進行電化學儲能的應用。本發明所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料具有以下優點。(1)聚吡咯納米柱完全嵌入聚吡咯納米孔中形成有序規整排列和均勻分布的納米陣列結構，其中所述的納米孔具有兩端通透的特征，納米柱具有獨立柱結構并且與納米孔壁面之間保持均勻間隙的特征。(2)納米孔能提供完全通透性的納米通道，同時納米柱柱面與納米孔內壁之間保持均勻間隙，一方面增加了有效比表面積，另一方面優化了反應離子定向遷移路徑，實現反應離子短程擴散，應用于超級電容器電極材料可以提高電化學儲電性能。(3)聚吡咯納米孔和聚吡咯納米柱具有規整有序排列的聚吡咯導電膜，電化學反應產生電子在電場作用下沿著聚吡咯導電膜進行軸向的定向有規傳輸，提高了電子傳導效率，應用于超級電容器電極材料可以提高電化學儲電性能。(4)采用電化學和濕化學合成反應的制備方法，可以在常溫常壓的溫和條件下進行，操作簡單，而且前軀體材料易得，原料成本相對低廉。


圖1是聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的微結構示意圖。圖2是聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的掃描電鏡正面俯視圖。圖3是聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的掃描電鏡背面俯視圖。圖4是聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的掃描電鏡側面剖視圖。圖5是聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的傅里葉變換紅外光譜圖。圖6是聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的恒電流循環充放電曲線圖。圖7是脈沖伏安法的脈沖電位調控曲線示意圖。圖8是脈沖伏安法進行電聚合反應制備聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料的掃描電鏡正面俯視圖。圖9是常規循環伏安法進行電聚合反應制備聚吡咯-二氧化鈦納米管復合陣列材料的掃描電鏡正面俯視圖。圖10是常規恒電位法進行電聚合反應制備聚吡咯-二氧化鈦納米管復合陣列材料的掃描電鏡正面俯視圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例，進一步說明聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的制備方法及其超級電容器電極電化學儲能應用。實施例1本發明所述的聚吡咯有序納米孔陣列材料的制備方法包括以下步驟。(1)合成管壁間隔分離的二氧化鈦有序納米管模板
首先，將金屬純鈦片依次在乙醇、丙酮、去離子水中超聲清洗30min;接著，在 3. 3mol/L氫氟酸和5. 6mol/L硝酸水溶液中進行化學拋光預處理8_15s ；然后，在二電極電化學反應體系中，鈦片作為陽極并作為工作電極，鉬片作為陰極并作為輔助電極，以 0. 2mol/L氟化銨、0. 5mol/L磷酸和9. Omol/L乙二醇的水溶液為反應電解質溶液，采用恒電壓陽極氧化反應方法，設定恒電壓為30V，反應時間為2h，反應溫度為20-25°C，制備管壁間隔分離的、有序且按陣列排列的二氧化鈦納米管，得到的管壁間隔分離的二氧化鈦有序納米管作為模板，所述的模板具有納米管管壁之間有均勻間隙的結構特征；最后，二氧化鈦有序納米管模板用去離子水充分沖洗，自然晾干，并進行450°C焙燒池的熱處理，模板由無定形非晶態轉化為銳鈦礦相晶體。(2)合成聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料首先，將上述制備的二氧化鈦有序納米管模板浸入吡咯單體中超聲振蕩處理 30-60min;然后，在三電極電化學反應體系中，調控的電聚合反應方法采用脈沖伏安法， 二氧化鈦有序納米管模板為工作電極，鉬片為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，以 0. 15mol/L吡咯和0. 1 Omol/L高氯酸鋰的乙氰溶液為反應電解質溶液，脈沖伏安法設定在工作電極上的起始電位為0. 7V，終止電位為1. IV，電位增量為0. OOlV/s，采樣時間寬度為 0. 02s，脈沖寬度為0. 06s，脈沖周期為如。采用脈沖伏安法進行調控的電聚合反應，聚吡咯在二氧化鈦有序納米管外壁面和管腔內依次沉積并形成基于管壁面的聚吡咯納米膜和基于管腔內的聚吡咯納米柱，得到由二氧化鈦納米管、包覆在納米管外壁面上的聚吡咯納米膜和嵌入在納米管管腔內的聚吡咯納米柱復合而成的同心軸實心結構的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料。最后，采用化學腐蝕溶解反應方法，聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料在氫氟酸水溶液中完全去除二氧化鈦有序納米管模板，得到所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料。氫氟酸摩爾濃度為2. Omol/L，二氧化鈦化學腐蝕溶解反應30min。實施例2本發明所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的微結構形貌分析和化學結構分析。(1)聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的掃描電鏡的微結構形貌分析聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的掃描電鏡正面和背面俯視圖顯示聚吡咯納米管完全嵌入聚吡咯納米孔中形成有序規整排列和均勻分布的納米陣列結構，其中所述的納米孔具有兩端通透的特征，納米柱具有獨立柱結構并且與納米孔壁面之間保持均勻間隙的特征，納米孔直徑范圍為115-225nm，納米孔長度范圍為700-1300nm，聚吡咯納米柱柱面與納米孔內壁之間的間隙距離范圍為15-45nm，，詳見說明書附圖2和3。說明書附圖4是聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的側面掃描電鏡圖，圖中I是聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的側面局部剖開區域，每一個聚吡咯納米孔中都包含有一根聚吡咯納米柱，并且納米柱與納米孔壁面保持均勻間隙，由此可見，聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料同時包含有兩端通透性的納米孔和獨立柱結構的納米柱，納米柱嵌入納米孔形成同心軸實心結構。(2)聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的紅外光譜的化學結構分析聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的傅里葉變換紅外光譜圖顯示波數156 !^1處的波峰是C = C雙鍵的伸縮振動吸收峰，波數1211cm—1處的波峰是C-N鍵的伸縮振動吸收峰，波數1042CHT1處的波峰是N-H鍵的面內彎曲振動吸收峰，波數929CHT1和790CHT1處的波峰是C-H鍵的面外彎曲振動吸收峰。紅外光譜分析結果全部顯示為聚吡咯的特征吸收峰， 沒有出現二氧化鈦的特征吸收峰，合成樣品是完全脫除二氧化鈦有序納米管模板的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料，詳見說明書附圖5。實施例3本發明所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料作為超級電容器電極材料的電化學儲能的應用。聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料作為超級電容器電極材料進行電化學儲電性能測試如下在三電極充放電測試體系中，以1. OM高氯酸鋰水溶液為工作電解液，聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料為工作電極，鉬片為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，采用電化學工作站(IM6e，ZAHNER Elektrik,Germany)進行恒電流循環充放電測試，設定循環充放電測試的恒電流密度為0. 25mA/cm2，根據恒電流循環充放電實驗測試數據計算電化學電容， 聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的面積比電容量為18.33mF cm_2，詳見說明書附圖6。實施例4本發明所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的制備方法，采用脈沖伏安法進行調控的電聚合反應方法制備聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料。對于管壁間隔分離的二氧化鈦有序納米管模板，一方面，相鄰納米管之間的管壁間隙區域的電導率高于納米管的管腔內區域的電導率，另一方面，吡咯電聚合反應具有反應離子擴散遷移控制的電化學反應動力學特征，因此，采用脈沖伏安法更有利于吡咯單體進行定向的擴散遷移和定位的電聚合反應。本發明所述的脈沖伏安法設定控制參數如下以吡咯單體和高氯酸鋰的乙氰有機溶液為反應電解質溶液中，吡咯單體的摩爾濃度為 0. 15mol/L，高氯酸鋰的摩爾濃度范圍為0. lOmol/L，工作電極的起始電位為0. 7V，終止電位為1. IV，電位增量為0. 001V/S，脈沖寬度為0. 06s，脈沖周期范圍為4s，關于脈沖伏安法的脈沖電位調控曲線示意圖，參照說明書附圖7。實驗結果表明，采用脈沖伏安法進行調控的電聚合反應，聚吡咯在二氧化鈦有序納米管外壁面和管腔內依次沉積并形成基于管壁面的聚吡咯納米膜和基于管腔內的聚吡咯納米柱，得到由二氧化鈦納米管、包覆在納米管外壁面上的聚吡咯納米膜和嵌入在納米管管腔內的聚吡咯納米柱復合而成的同心軸實心結構的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料，參照說明書附圖8。因此，本發明所述的脈沖伏安法區別于常規循環伏安法、常規恒電位法和常規恒電流法，采用脈沖伏安法可以調控電聚合反應，制備出同心軸實心結構的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料。實施例5一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料，微結構示意圖參照說明書附圖1，圖中1表示聚吡咯基體，圖中2表示納米孔，圖中2表示聚吡咯納米柱，所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料包括聚吡咯基體1，在聚吡咯基體1上設有呈陣列分布且兩端通透的納米孔2， 在納米孔2內嵌入聚吡咯納米柱3，聚吡咯納米柱3柱面與納米孔2內壁之間設有間隙，納米孔2的直徑范圍為115-225nm，納米孔2的長度范圍為700-1300nm，聚吡咯納米柱柱面與納米孔內壁之間的間隙為15-45nm。對照例1本對照例是采用常規循環伏安法進行電聚合反應方法制備聚吡咯-二氧化鈦納米管復合陣列材料。所述的常規循環伏安法設定控制參數如下以摩爾濃度0. 15mol/L吡咯單體和摩爾濃度0. 10mol/L高氯酸鋰的乙氰溶液為反應電解質溶液，二氧化鈦有序納米管模板作為工作電極的電位掃描范圍為0. 5-1. IV，電位掃描速率為5mV/s，循環掃描次數為10次。聚吡咯-二氧化鈦復合納米管的微結構形貌表征結果顯示，吡咯單體在二氧化鈦納米管管口或表面的一部分區域進行電聚合反應而形成局部的聚吡咯納米膜覆蓋層，參照說明書附圖9中II所示，在二氧化鈦納米管管口或表面的另一部分區域沒有形成聚吡咯納米膜覆蓋層，參照說明書附圖9中III所示，在二氧化鈦納米管的管壁面和管腔內都沒有形成聚吡咯納米膜。由此可見，采用常規循環伏安法進行電聚合反應，聚吡咯無法調控沉積于二氧化鈦納米管的管壁面或者管腔內，無法形成同心軸實心結構的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料，因而無法制備出聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料。對照例2本對照例是采用常規恒電位法進行電聚合反應方法制備聚吡咯-二氧化鈦納米管復合陣列材料。采用常規恒電位法進行電聚合反應制備聚吡咯-二氧化鈦復合納米管，所述的常規恒電位法設定控制參數如下摩爾濃度0. 15mol/L吡咯單體和摩爾濃度0. 10mol/L高氯酸鋰的乙氰溶液為反應電解質溶液，二氧化鈦有序納米管模板作為工作電極的恒電位為 0.8V，電聚合反應時間為1200s。聚吡咯-二氧化鈦復合納米管的微結構形貌表征結果顯示，吡咯單體在二氧化鈦納米管的表面區域進行電聚合反應而形成聚吡咯納米顆粒，納米管的管壁面和管腔內都沒有形成聚吡咯納米膜，參照說明書附圖10。由此可見，采用常規恒電位法進行電聚合反應，聚吡咯無法調控沉積于二氧化鈦納米管的管壁面或者管腔內，無法形成同心軸實心結構的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料，因而無法制備出聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料。實施例5一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料，所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料包括聚吡咯基體1，在聚吡咯基體1上設有呈陣列分布且兩端通透的納米孔2，在納米孔2內嵌入聚吡咯納米柱3，聚吡咯納米柱3柱面與納米孔2內壁之間設有間隙，在本實施例中，所述的納米孔2的直徑范圍為115-225nm，納米孔2的長度范圍為700-1300nm，間隙的距離范圍為 15-45nm。
權利要求
1.一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料，其特征在于所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料包括聚吡咯基體(1)，在聚吡咯基體(1)上設有呈陣列分布且兩端通透的納米孔 O)，在納米孔⑵內嵌入聚吡咯納米柱(3)，聚吡咯納米柱(3)柱面與納米孔(2)內壁之間設有間隙。
2.根據權利要求1所述的一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料，其特征在于其中所述的納米孔⑵的直徑范圍為115-225nm，納米孔⑵的長度范圍為700-1300nm，間隙的距離范圍為15-45nm。
3.根據權利要求1所述的一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的制備方法，其特征在于首先，在二電極電化學反應體系中，鈦片作為陽極并作為工作電極，鉬片作為陰極并作為輔助電極，以氟化銨、磷酸和乙二醇的水溶液為反應電解質溶液，采用恒電壓陽極氧化反應方法，制備管壁間隔分離的、有序且按陣列排列的二氧化鈦納米管，得到的管壁間隔分離的二氧化鈦有序納米管作為模板；然后，在三電極電化學反應體系中，二氧化鈦有序納米管模板作為電極基體材料并作為工作電極，鉬片作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極， 以吡咯單體和高氯酸鋰的乙氰有機溶液為反應電解質溶液，采用調控的電聚合反應方法， 聚吡咯在二氧化鈦有序納米管外壁面和管腔內依次沉積并形成基于管壁面的聚吡咯納米膜和基于管腔內的聚吡咯納米柱，得到由二氧化鈦納米管、包覆在納米管外壁面上的聚吡咯納米膜和嵌入在納米管管腔內的聚吡咯納米柱復合而成的同心軸實心結構的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料，最后，所述制備的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料為前軀體，采用化學腐蝕溶解反應方法完全去除二氧化鈦有序納米管模板，得到聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的恒電壓陽極氧化反應方法為 設定恒電壓為30V，反應時間為2h，反應溫度為20-25°C，以氟化銨、磷酸和乙二醇的水溶液為反應電解質溶液中，氟化銨摩爾濃度為0. 2mol/L，磷酸摩爾濃度為0. 5mol/L,乙二醇摩爾濃度為9. Omol/Lο
5.根據權利要求3所述的一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的制備方法，其特征在于調控的電聚合反應方法采用脈沖伏安法制備聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料，所述的脈沖伏安法設定在工作電極上的起始電位為0. 7V，終止電位為1. IV，電位增量為0. OOlV S—1，采樣時間寬度為0.02s，脈沖寬度為0.06s，脈沖周期范圍為3_6s ；所述的調控的電聚合反應的電解質溶液是摩爾濃度為0. 15mol/L吡咯單體、摩爾濃度范圍為 0. 08-0. 12mol/L高氯酸鋰以及作為反應介質的乙氰有機溶劑。
6.根據權利要求3所述的一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料的制備方法，其特征在于所述的化學腐蝕溶解反應方法采用氫氟酸腐蝕二氧化鈦的方法，聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料在氫氟酸水溶液中完全去除二氧化鈦有序納米管模板后得到所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料，二氧化鈦化學腐蝕溶解反應時間為20-40min，氫氟酸摩爾濃度范圍為1. 5-2. 5mol/L。
7.根據權利要求1所述的一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料作為超級電容器電極材料進行電化學儲能的應用。
全文摘要
一種聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料，所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料包括聚吡咯基體，在聚吡咯基體上設有呈陣列分布且兩端通透的納米孔，在納米孔內嵌入聚吡咯納米柱，聚吡咯納米柱柱面與納米孔內壁之間設有間隙。采用脈沖伏安法進行調控的電聚合反應，二氧化鈦納米管、包覆在納米管外壁面上的聚吡咯納米膜和嵌入在納米管管腔內的聚吡咯納米柱復合而成的同心軸實心結構的聚吡咯包覆二氧化鈦納米管復合陣列材料，采用化學腐蝕溶解方法，氫氟酸完全去除二氧化鈦有序納米管模板后得到聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料。所述的聚吡咯納米柱嵌納米孔陣列材料作為超級電容器電極材料進行電化學儲能應用。
文檔編號C08G73/06GK102505124SQ20111036279
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者杜洪秀, 謝一兵 申請人:東南大學