CN105480963A - 一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米碳材料技术领域，具体涉及一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：将海藻酸钠和苯胺溶解于去离子水中，混合溶液预冷后，加入氧化剂并快速搅拌均匀，置于室温下进行静置反应，得到聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；将水凝胶置于去离子水中净化平衡，再冷冻干燥后，置于管式炉中，在保护气氛下升温至600～900℃碳化后，放入到酸性水溶液中浸泡，再用去离子水洗至中性，经冷冻干燥后得到氮氧共掺杂分级多孔碳。本发明制备得到的氮氧共掺杂分级多孔碳在高性能超级电容器电极材料领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米碳材料技术领域，具体涉及一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳及其制备方法。
背景技术
超级电容器是近十年来备受关注的新型电化学能源存储设备，已在电动汽车，移动电子产品和不间断能量供应领域里获得广泛应用。基于碳材料的双电层超级电容器是目前商品化超级电容器的主流。然而，提高碳材料的能量密度仍然是目前的一大挑战。
对碳材料进行杂原子掺杂，从而引入电化学活性位点(赝电容)，是目前比较公认的可以大幅提高其能量密度的有效途径。比如，利用含氮的活性试剂(如氮水、尿素等)，对碳材料进行后处理，可以获得氮掺杂碳材料，其比容、导电性、循环寿命均有了大幅的提高。但是，这种方法的缺点是氮的含量相对较低，同时制备工艺也比较繁锁。此外，研究表明，多杂原子共掺杂可能会形成某种协同效应，进一步提升碳材料的性能，如N,O共掺杂等。因此，多杂原子共掺杂碳也具有非常大的研究价值，正逐渐受到人们的关注。
除了杂原子掺杂，对碳材料进行结构设计，构筑具有分级多孔的纳米结构也是提高其能量密度非常有效的途径。目前模板法和活化法是构筑分级多孔碳的最常用方法，但是也面临较为严峻的挑战：(1)对模板法而言，想要获得定制的分级多孔纳米结构的模板，具有很大的困难。此外，还需要面临着一个繁琐且耗时间的去模板过程。(2)对活化法而言，虽然，采用高浓度KOH或NaOH对碳材料进行活化无需模板，但从简单、经济和“绿色”的角度出发，更多高效的新方法还亟待开发。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳的制备方法，包括如下步骤：
(1)将海藻酸钠完全溶解于去离子水中，加入苯胺，搅拌使其溶解均匀；将混合溶液放在冰水浴中预冷后，加入氧化剂并快速搅拌均匀，然后置于室温下进行静置反应，反应结束后即得到聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；
(2)将聚苯胺-海藻酸钠水凝胶置于大量的去离子水中净化平衡，随后冷冻干燥后，再置于管式炉中，在保护气氛下升温至600～900℃碳化后，放入到酸性水溶液中浸泡，再用去离子水洗至中性，最后经冷冻干燥后即得到N,O共掺杂分级多孔碳。
上述方案中，所述混合溶液中，海藻酸钠的质量浓度为0.1～5wt％，苯胺的物质的量浓度为0.02～2mol/L。
上述方案中，所述氧化剂为过硫酸铵、氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、高锰酸钾和双氧水中的一种或几种。
上述方案中，所述氧化剂与苯胺的摩尔比为0.5～2。
上述方案中，步骤(1)所述静置反应的反应时间为12h～24h。
上述方案中，步骤(2)所述升温至600～900℃的升温速率为0.2～10℃/min。
上述方案中，步骤(2)所述碳化的时间为2h～5h。
上述方案中，步骤(2)所述保护气氛为氩气、氮气和氨气中的一种或多种。
上述方案中，步骤(2)所述酸性水溶液的浓度为0.1～5mol/L。
上述方案中，步骤(2)所述酸性水溶液为盐酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、醋酸水溶液、或磷酸水溶液。
上述制备方法制备得到的源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳。
本发明的有益效果如下：(1)苯胺和海藻酸钠分别是富含N和O的物质，产量大，价格低廉，并且可以通过改变物料的配比调控分级多孔碳中N,O的掺杂量，因此，本发明所述制备方法不仅工艺简单易操作，而且是一种可控的N,O掺杂技术。(2)本发明制备方法可以制备得到具有较高的N,O掺杂量和理想分级多孔结构的多孔碳，所述N,O共掺杂分级多孔碳在高性能超级电容器电极材料领域具有良好的应用前景。
附图说明：
图1为本发明所述源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳的扫描电镜图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：
(1)将0.4g海藻酸钠完全溶解于19.6mL去离子水中，加入0.365mL苯胺，搅拌使其溶解均匀；将混合溶液放在冰水浴中预冷30分钟后，加入0.912g过硫酸铵并快速搅拌均匀，在室温下静置反应12小时，即可获得聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；然后将水凝胶在大量的去离子水净化平衡三天，每隔12小时换一次水；
(2)将制得的聚苯胺-海藻酸钠水凝胶冷冻干燥后，置于管式炉中，在氩气保护下，以5℃/min的速率升温至750℃碳化2小时后，将产物放入1mol/L的盐酸水溶液中浸泡24小时，过滤，再用去离子水洗至中性，冷冻干燥后，即可获得N,O共掺杂分级多孔碳。
图1为本实施例制备得到的N,O共掺杂分级多孔碳的扫描电镜照片，可以看出它为典型的分级多孔纳米结构，所制备得到的N,O共掺杂分级多孔碳在高性能超级电容器电极材料领域具有良好的应用前景。
实施例2
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：
(1)将0.4g海藻酸钠完全溶解于去19.6mL离子水中，加入1.095mL苯胺，搅拌使其溶解均匀；将混合溶液放在冰水浴中预冷30分钟后，加入2.736g过硫酸铵并快速搅拌均匀，在室温下静置反应24小时，即可获得聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；最后，将水凝胶在大量的去离子水中净化平衡三天，每隔12小时换一次水。
(2)同实施例1中的步骤(2)。
实施例3
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：
(1)将0.4g海藻酸钠完全溶解于去19.6mL离子水中，加入0.183mL苯胺，搅拌使其溶解均匀；将混合溶液放在冰水浴中预冷30分钟后，加入0.456g过硫酸铵并快速搅拌均匀，在室温下静置反应12小时，即可获得聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；最后，将水凝胶在大量的去离子水中净化平衡三天，每隔12小时换一次水。
(2)同实施例1中的步骤(2)。
实施例4
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：
(1)将0.2g海藻酸钠完全溶解于去19.8mL离子水中，加入0.365mL苯胺，搅拌使其溶解均匀；将混合溶液放在冰水浴中预冷30分钟后，加入0.912g过硫酸铵并快速搅拌均匀，在室温下静置反应12小时，即可获得聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；最后，将水凝胶在大量的去离子水中净化平衡三天，每隔12小时换一次水。
(2)同实施例1中的步骤(2)。
实施例5
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：
(1)同实施例1中的步骤1。
(2)将制得的聚苯胺-海藻酸钠水凝胶冷冻干燥后，置于管式炉中，在氩气保护下，以5℃/min的速率升温至600℃碳化2小时后，将制得的产物放入1mol/L的盐酸水溶液中浸泡24小时，过滤，用去离子水洗至中性，冷冻干燥，即可获得N,O共掺杂分级多孔碳。
实施例6
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：
(1)同实施例1中的步骤(1)。
(2)将制得的聚苯胺-海藻酸钠水凝胶冷冻干燥后，置于管式炉中，在氩气保护下，以5℃/min的速率升温至900℃碳化2小时后，将制得的产物放入1mol/L的盐酸水溶液中浸泡24小时，过滤，用去离子水洗至中性，冷冻干燥，即可获得N,O共掺杂分级多孔碳。
实施例7
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：
(1)同实施例1中的步骤(1)。
(2)将制得的聚苯胺-海藻酸钠水凝胶冷冻干燥后，置于管式炉中，在氨气保护下，以5℃/min的速率升温至600℃碳化2小时后，将制得的产物放入1mol/L的盐酸水溶液中浸泡24小时，过滤，用去离子水洗至中性，冷冻干燥，即可获得N,O共掺杂分级多孔碳。
实施例8
一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：
(1)将0.3g海藻酸钠完全溶解于去19.7mL离子水中，加入0.548mL苯胺，搅拌使其溶解均匀；将混合溶液放在冰水浴中预冷30分钟后，加入1.368g过硫酸铵并快速搅拌均匀，在室温下静置反应24小时，即可获得聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；最后，将水凝胶在大量的去离子水中净化平衡三天，每隔12小时换一次水；
(2)将制得的聚苯胺-海藻酸钠水凝胶冷冻干燥后，置于管式炉中，在氮气保护下，以5℃/min的速率升温至600℃碳化3小时后，将制得的产物放入0.5mol/L的硫酸水溶液中浸泡24小时，过滤，用去离子水洗至中性，冷冻干燥，即可获得N,O共掺杂分级多孔碳。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将海藻酸钠完全溶解于去离子水中，加入苯胺，搅拌使其溶解均匀；将混合溶液放在冰水浴中预冷后，加入氧化剂并快速搅拌均匀，然后置于室温下进行静置反应，反应结束后即得到聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；
（2）将聚苯胺-海藻酸钠水凝胶置于大量的去离子水中净化平衡，随后冷冻干燥后，再置于管式炉中，在保护气氛下升温至600~900℃碳化后，放入到酸性水溶液中浸泡，再用去离子水洗至中性，最后经冷冻干燥后即得到氮氧共掺杂分级多孔碳。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，海藻酸钠的质量浓度为0.1~5wt%，苯胺的物质的量浓度为0.02~2mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化剂为过硫酸铵、氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、高锰酸钾和双氧水中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化剂与苯胺的摩尔比为0.5~2。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述静置反应的反应时间为12h~24h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述升温至600~900℃的升温速率为0.2~10℃/min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述碳化的时间为2h~5h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述保护气氛为氩气、氮气和氨气中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述酸性水溶液的浓度为0.1~5mol/L。
10.权利要求1~9任一所述制备方法制备得到的源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳。
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Effective date of registration: 20190410 Address after: 438300 Two blocks west of Xinglong Road, Macheng Economic and Technological Development Zone, Huanggang City, Hubei Province Patentee after: Hubei Zhao Sheng new Mstar Technology Ltd. Address before: 430074 No. 693, Xiong Chu street, Hongshan District, Wuhan, Hubei. Patentee before: Wuhan Institute of Technology |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20160413 Assignee: HUBEI HONGZHAO BUILDING MATERIALS Co.,Ltd. Assignor: Hubei Zhao Sheng new Mstar Technology Ltd. Contract record no.: X2020980009756 Denomination of invention: Nitrogen and Oxygen Co. doped graded porous carbon derived from polyaniline sodium alginate hydrogel and preparation method thereof Granted publication date: 20171010 License type: Exclusive License Record date: 20201222 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171010 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |