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，鉑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，鉑片作為輔助電極，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。

附圖說明

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。