CN105869925B

CN105869925B - 一种氮掺杂ca/pan基碳微球电极材料的制备方法

Info

Publication number: CN105869925B
Application number: CN201610303263.9A
Authority: CN
Inventors: 贾哲华; 贾成浩; 赵有华; 董斌; 徐继任; 陶翠
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: CN105869925A

Abstract

一种氮掺杂CA/PAN基碳微球电极材料的制备方法，涉及超级电容器的电极材料的制备技术领域。将CA与PAN制备成前驱体溶液，经静电喷雾，得到CA/PAN微球；将CA/PAN微球经预氧化、碳化、活化后，得到高比表面CA/PAN基活性碳微球；然后使用水热法对CA/PAN基活性碳微球进行氮掺杂，得到氮掺杂CA/PAN基活性碳微球，最后将其制成电极材料。本发明制备了高比表面积和丰富孔隙的活性碳微球，使用水热法对碳微球进行氮掺杂，在碳骨架上引入氮原子，既增加了电容量又提高了碳微球的导电性和在电解液中的浸润性。

Description

一种氮掺杂CA/PAN基碳微球电极材料的制备方法

技术领域

本发明涉及超级电容器的电极材料的制备技术领域。

技术背景

超级电容器是介于传统电容器与化学电源之间的一种新型储能元件，具有充放电时间长、使用寿命长、功率密度高、低温性能优越等优点，已经广泛应用于智能电网、军事、电动汽车等领域。电极材料是超级电容器的核心组成部分，是决定超级电容器性能的关键。所以，如何制备高性能的电极材料成为现阶段的研究重点。现在，应用最多的电极材料是碳基电极材料，而影响碳基电极材料性能的主要因素是比表面积和表面官能团。活性碳微球具有独特的形貌、较大的比表面积和高孔隙率等优点，所以，其特别适合用作超级电容器的电极材料。

碳微球的制备方法主要包括溶剂热法、模板法、气相沉积法等，但是以上方法存在碳微球尺寸较大（微米级）、条件不易控制、过程繁琐、碳微球石墨化程度较低等缺点。静电喷雾法可以得到形貌较好的微纳球，其具有微球尺寸较小（纳米级），工艺简单，成本低，制备的球形材料比较纯净等特点。如专利号为201210292968.7的中国专利文献公开了将PEI与PMMA混合溶于DMAC中，制成前驱体溶液，并进行静电喷雾，制备得到粒径在300～1000 nm之间的复合纳米微球。专利号为201410681990.X的中国专利文献则公开了使用不同浓度的壳聚糖溶液作为前驱体溶液，使用乳化交联剂作为凝固剂，进行静电喷雾，制备得到壳聚糖微球。

用于静电喷雾/静电纺丝的前驱体聚合物具有不同的热稳定性，所以，很多研究通过将两种不同的前驱体聚合物混合进行静电喷雾或者静电纺丝，从而制备高比表面积和丰富孔隙的碳材料。如专利号为201510176445.X的中国专利文献中将聚丙烯腈与聚乙烯吡咯烷酮按照一定质量比混合进行静电纺丝，经预氧化与碳化制备得到多孔碳纳米纤维，比表面积为489m²/g。

为了进一步提高碳基电极材料的电化学性能，越来越多的研究者对碳材料进行氮掺杂，在碳骨架上引入氮原子。碳骨架中的氮原子不仅能够提高赝电容，提高比电容，而且能够提高碳材料的导电性和在电解液中的浸润性。如专利号为201510689052.9的中国专利文献使用水热法制备得到氮掺杂聚邻甲苯胺基碳微球，并用于超级电容器电极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可克服现有技术缺陷的用于超级电容器的氮掺杂CA/PAN基碳微球电极材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将醋酸纤维素(CA)和聚丙烯腈(PAN)溶解于DMF中，制成前驱体溶液；

2）将前驱体溶液进行静电喷雾，得到CA/PAN微球；

3）将CA/PAN微球经预氧化、碳化、活化后，得到CA/PAN基活性碳微球；

4）以尿素、氨水或氯化铵为氮源，使用水热法对CA/PAN基活性碳微球进行氮掺杂，得到氮掺杂CA/PAN基活性碳微球；

5）将氮掺杂CA/PAN基活性碳微球与乙炔黑、PTFE、乙醇混合后置于烘箱中烘成糊状，再涂抹在泡沫镍上，经干燥后压片，制得电极材料。

本发明使用醋酸纤维素（CA）和聚丙烯腈（PAN）两个热稳定性相差较大的聚合物作为静电喷雾前驱体，从而制备高比表面积和丰富孔隙的活性碳微球；使用水热法对碳微球进行氮掺杂，在碳骨架上引入氮原子，既增加了电容量又提高了碳微球的导电性和在电解液中的浸润性。

本发明具有的优点及积极效果在于：

1. 本发明使用静电喷雾法制备微球，操作条件易于控制，避免了传统方法中大量使用乳化剂的问题，是一种简单可控的绿色工艺。

2. 醋酸纤维素中含有较多的含氧基团，制备得到的CA/PAN基活性碳微球具有良好的表面化学性质，且醋酸纤维素作为天然纤维素的衍生物，来源丰富，是一种可再生资源。

3. 醋酸纤维素（CA）和聚丙烯腈（PAN）具有不同的热稳定性，两种混合进行静电喷雾制备得到的碳微球，具有高比表面积和丰富的孔隙。

4. 水热法对活性碳微球进行氮掺杂，方法简单易操作，且尿素、氨水和氯化铵作为氮源，便宜易得，有效的增加了活性碳微球的氮含量，提高了其电化学性能。

进一步地，在前期工作中，发现醋酸纤维素(CA)和聚丙烯腈(PAN) 的混合质量比为1.5:1时，得到的样品的比表面积较大，电化学性能较好，所以将CA与PAN的质量比确定为1.5∶1。

静电喷雾法对溶液的粘度要求很低，所以溶液的浓度要低，本发明所述醋酸纤维素(CA)和聚丙烯腈(PAN) 的合计质量占前驱体溶液总质量的1～3 %。

所述步骤1）是在60 ℃水浴、磁力搅拌下将CA与PAN按比例溶解于DMF中，经静置后形成前驱体溶液。60 ℃水浴与搅拌能够加速CA与PAN的溶解。

所述步骤2）中，静电喷雾的环境温度≤40 ℃，湿度≤30 %，电压为16～21 kV，推注速度为0.1～0.5 mm/min，接收距离为10～20cm。温度和湿度的控制有助于纺丝过程中溶剂的挥发，便于微球成型。

所述预氧化是将制得的CA/PAN微球置于空气气氛下，以1～5℃/min的升温速率升温至250℃，保温2 h。微球在预氧化过程中使得高分子经过环化脱氢作用转化为耐高温的梯形结构，以便在高温碳化下保持原有的微球形貌。该条件下使得微球可得到充分的预氧化。

所述碳化是将CA/PAN微球置于氮气气氛下，以1～5℃/min的升温速率升温至800℃后保温2h。碳化的目的是除去微球中的非碳元素，生成含碳量高的碳微球。该条件下可使微球得到充分的碳化。

所述活化是：将碳化后的材料置于KOH水溶液中浸渍2h后，经150℃下烘干，再置于氮气氛围下，以升温速率为10℃/min升温至800℃后保温0.5h，最后以质量分数为5%的盐酸和去离子水洗涤后烘干。活化的目的是为了进一步扩孔，增大材料的比表面积。

所述氮掺杂是：使用水热法，尿素、氨水和氯化铵作为氮源，高压反应釜作为反应器，对其进行氮掺杂。具体步骤是将研磨成粉末状的活性碳微球与氮源水溶液混合，制成含活性碳纳微球的浓度为1mg/ml的混合液，经超声处理0.5小时后，移入高压反应釜，在180℃下反应12h，然后经过滤，取固相干燥，得到氮掺杂CA/PAN基活性碳微球。该方法具有简单易行，操作简单，氮源简单易得，能够大量生产等优点。

附图说明

图1为 CA/PAN微球的扫描电镜图。

图2为 CA/PAN微球的透射电镜图。

图3为实例1中得到的活性碳微球的氮气吸脱附曲线图。

图4为实例1中得到的活性碳微球的孔径分布图。

图5为实例1得到的无掺氮活性碳微球及实例2、3、4中得到的氮掺杂活性碳微球的氮含量及分布图。

图6为实例1、2、3、4制得的电极材料的比电容随电流密度变化的曲线图。

具体实施方式

一、制备电极材料：

实例1：

1、制备前驱体溶液：称取0.54g醋酸纤维素与0.36g聚丙烯腈置于锥形瓶中，加入29.1g的DMF（二甲基甲酰胺），在60℃下磁力搅拌4 h后静置1h，即可得到均一、透明的质量分数为3wt%的前驱体溶液。

2、制备CA/PAN微球：将前驱体溶液进行静电喷雾，环境温度≤40℃，湿度≤30%，电压：16kV，前驱体溶液推注速度：0.1mm/min，接收距离：10cm，使用凝固浴接收，乙醇作为凝固液，表面皿作为接收容器。

3、预氧化：将制得的CA/PAN微球置于空气气氛下，以1 ℃/min的升温速率，升温至250℃后保温2 h。

4、碳化：将经过预氧化处理的CA/PAN微球置于氮气气氛下，以1 ℃/min的升温速率升温至800℃后保温2h。

5、活化：活化剂为氢氧化钾水溶液，以3∶4的质量比将氢氧化钾和经过碳化处理的碳微球混合，配制成含碳微球1wt%的混合剂，经过浸渍处理2h后，在150℃条件下烘干。再置于氮气氛下，以10℃/min的升温速率升温至800℃后保温时间0.5h，最后使用5%的盐酸和去离子水先后多次冲洗后，取固相置于烘箱中烘干，得到活性碳微球。

6、电极的制备：将活性碳微球、乙炔黑和PTFE按照85∶10∶5的质量比进行混合，然后加入乙醇，搅拌6h，超声处理0.5小时，然后置于烘箱中60℃烘成糊状，将其均匀的涂抹在泡沫镍上，烘箱中干燥4～5h，取出放在压片机上10MPa下压片，取得片状电极材料。

实例 2：

1、制备前驱体溶液：0.54g醋酸纤维素与0.36g聚丙烯腈置于锥形瓶中，加入29.1g的DMF（二甲基甲酰胺），在60℃下磁力搅拌4 h后静置1h，即可得到均一、透明的质量分数为3 wt%的前驱体溶液。

5、活化：活化剂为氢氧化钾水溶液，以3∶4的质量比将氢氧化钾和经过碳化处理的碳微球混合，配制成含碳微球1wt%的混合剂，经过浸渍处理2h后，在150℃条件下烘干，再置于氮气氛下，以10℃/min的升温速率升温至800℃后保温时间0.5h，最后使用5%的盐酸和去离子水先后多次冲洗后，取固相置于烘箱中烘干，得到活性碳微球。

6、水热法掺氮：称取上述制得的活性碳微球研磨成粉末并加入锥形瓶中，然后分别加入2wt%的尿素水溶液，使活性碳微球的浓度为1mg/ml，然后将锥形瓶放入超声波清洗器中超声处理0.5h，再将锥形瓶中的混合物加入到高压反应釜中，在180℃下反应12 h，过滤并干燥，得到氮掺杂活性碳微球。

7、电极的制备：将氮掺杂活性碳微球、乙炔黑和PTFE按照85∶10∶5的质量比进行混合，然后加入乙醇，搅拌6h，超声处理0.5h，然后置于烘箱中60℃烘成糊状，将其均匀的涂抹在泡沫镍上，烘箱中干燥4～5h，取出放在压片机上10MPa下压片，取得片状电极材料。

实例 3：

1、制备前驱体溶液：0.54g醋酸纤维素与0.36g聚丙烯腈置于锥形瓶中，加入50g的DMF（二甲基甲酰胺），在60℃下磁力搅拌4h后静置1h，即可得到均一、透明的质量分数为1.77wt%的前驱体溶液。

2、制备CA/PAN微球：将前驱体溶液进行静电喷雾，环境温度≤40℃，湿度≤30%，电压：20kV，前驱体溶液推注速度：0.4mm/min，接收距离：20cm，使用凝固浴接收，乙醇作为凝固液，表面皿作为接收容器。

3、预氧化：将制得的CA/PAN微球置于空气气氛下，以3 ℃/min的升温速率，升温至250℃后保温2h。

4、碳化：将经过预氧化处理的CA/PAN微球置于氮气气氛下，以4℃/min的升温速率升温至800℃后保温2h。

5、活化：活化剂为氢氧化钾水溶液，以3∶4的质量比将氢氧化钾和经过碳化处理的碳微球混合，配制成含碳微球1wt%的混合剂，经过浸渍处理2h后，取出碳微球于150℃条件下烘干，再置于氮气氛下，以10℃/min的升温速率升温至800℃后保温时间0.5h，最后使用5%的盐酸和去离子水先后多次冲洗后，取固相置于烘箱中烘干，得到活性碳微球。

6、水热法掺氮：称取上述制得的活性碳微球研磨成粉末并加入锥形瓶中，然后加入2wt%的氨水水溶液，使活性碳微球的浓度为1mg/ml，然后将锥形瓶放入超声波清洗器中超声处理0.5h，再将锥形瓶中的混合物加入到高压反应釜中，在180℃下反应12h，过滤并干燥，得到氮掺杂活性碳微球。

实例 4：

1、制备前驱体溶液：0.54g醋酸纤维素与0.36g聚丙烯腈置于锥形瓶中，加入89.1g的DMF（二甲基甲酰胺），在60℃下磁力搅拌4 h后静置1h，即可得到均一、透明的质量分数为1 wt%的前驱体溶液。

2、制备CA/PAN微球：将前驱体溶液进行静电喷雾，静电喷雾的环境温度≤40℃，湿度≤30%，电压：21kV，前驱体溶液推注速度：0.5mm/min，接收距离：20cm，使用凝固浴接收，乙醇作为凝固液，表面皿作为接收容器。

3、预氧化：将制得的CA/PAN微球置于空气气氛下，以5℃/min的升温速率，升温至250℃后保温2 h。

4、碳化：将经过预氧化处理的CA/PAN微球置于氮气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800℃后保温2h。

6、水热法掺氮：称取上述制得的活性碳微球研磨成粉末并加入锥形瓶中，然后分别加入2 wt%的氯化铵水溶液，使活性碳微球的浓度为1mg/ml，然后将锥形瓶放入超声波清洗器中超声处理0.5h，再将锥形瓶中的混合物加入到高压反应釜中，在180℃下反应12h，过滤并干燥，得到氮掺杂活性碳微球。

二、各例制成的电极材料的循环伏安和恒电流充放电试验：

采用三电极体系，以上述各例制得的电极为工作电极，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，6M的KOH水溶液为电解液，测试电压范围为-1～-0.2 V，分别进行循环伏安和恒电流充放电测试。

三、附图及分析说明：

从图1和图2的CA/PAN微球的扫描电镜图和透射电镜图可见：静电喷雾法制备得到的微球尺寸在200nm左右且球形度较好。

图3为实例1中得到的活性碳微球的氮气吸脱附曲线图。从图3可见：在较低的相对压力下，由于发生微孔填充而使氮气吸附量迅速增加，表明样品有一定的微孔特性。

图4为实例1中得到的活性碳微球的孔径分布图。从图4可见：样品的孔径尺寸主要分布在2 nm左右。

图5为实例1得到的无掺氮活性碳微球及实例2、3、4中得到的氮掺杂活性碳微球的氮含量及分布图。由图5可见：样品中氮含量有一定的提高，且尿素和氨水作为氮源掺氮效果较好。

图6为实例1、2、3、4制得的电极材料的比电容随电流密度变化的曲线图。见图6可见：随着氮含量的增加，样品的比电容随之增大。随着电流密度的增大，充电在较短时间内完成，离子从溶液中迁移到电极表面没有足够的时间进入电极内部较小的孔中，有一部分碳材料比表面积没有被有效利用，因而会造成电容量的衰减。

Claims

1.一种氮掺杂CA/PAN基碳微球电极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将醋酸纤维素和聚丙烯腈溶解于DMF中，制成前驱体溶液；所述醋酸纤维素和聚丙烯腈的混合质量比为1.5∶1，所述醋酸纤维素和聚丙烯腈的合计质量占前驱体溶液总质量的1～3 %；

2）将前驱体溶液进行静电喷雾，得到CA/PAN微球；

3）将CA/PAN微球依次经预氧化、碳化、活化后，得到CA/PAN基活性碳微球；

4）以尿素、氨水或氯化铵为氮源，使用水热法对CA/PAN基活性碳微球进行氮掺杂，取得氮掺杂CA/PAN基活性碳微球；

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述步骤1）中溶解条件为：在60℃环境中、磁力搅拌。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，静电喷雾的环境温度≤40℃，湿度≤30%，电压为16～21kV，前驱体溶液的推进速度为0.1～0.5 mm/min，接受距离为10～20 cm，使用装有乙醇的表面皿作为接收容器。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述预氧化是将制得的CA/PAN微球置于空气气氛下，以1～5℃/min的升温速率升温至250℃，保温2 h。

5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述碳化是将CA/PAN微球置于氮气气氛下，以1～5℃/min的升温速率升温至800℃后保温2h。

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述活化是：将碳化后的材料置于KOH水溶液中浸渍2h后，经150℃下烘干，再置于氮气氛围下，以升温速率为10℃/min升温至800℃后保温0.5h，最后以质量分数为5%的盐酸和去离子水洗涤后烘干。

7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述步骤4）中，将研磨成粉末状的活性碳微球与氮源水溶液混合，制成活性碳纳微球的浓度为1mg/ml的混合液，经超声处理0.5小时后，移入高压反应釜，在180℃下反应12h，然后经过滤，取固相干燥，得到氮掺杂CA/PAN基活性碳微球。

8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述步骤5）中，所述氮掺杂活性碳微球、乙炔黑和PTFE的混合质量比为17∶2∶1。