CN106379881A - 一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法 - Google Patents

一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106379881A
CN106379881A CN201610819872.XA CN201610819872A CN106379881A CN 106379881 A CN106379881 A CN 106379881A CN 201610819872 A CN201610819872 A CN 201610819872A CN 106379881 A CN106379881 A CN 106379881A
Authority
CN
China
Prior art keywords
porous carbon
preparation
nitrogen
inert atmosphere
time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610819872.XA
Other languages
English (en)
Inventor
余建国
贾苗苗
戴堂明
赵永男
覃发梅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin Polytechnic University
Original Assignee
Tianjin Polytechnic University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Polytechnic University filed Critical Tianjin Polytechnic University
Priority to CN201610819872.XA priority Critical patent/CN106379881A/zh
Publication of CN106379881A publication Critical patent/CN106379881A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/30—Particle morphology extending in three dimensions
    • C01P2004/32—Spheres
    • C01P2004/34—Spheres hollow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/16—Pore diameter
    • C01P2006/17—Pore diameter distribution
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Abstract

本发明涉及一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法。其步骤为：将淀粉用氯化钙溶液浸泡处理，抽滤，滤饼浸入碳酸钾和碳酸氢钾的缓冲溶液中，浸泡处理，再抽滤，干燥后，在惰性气氛中升温至碳化温度，更换为氨气气氛下，保温一段时间，再在惰性气氛下冷却至室温；将上述步骤的产物用酸溶液进行处理，过滤干燥后得到氮掺杂的多孔碳球，并将该材料应用于硫酸钠电解质体系的超级电容器，扫速为100mV/s，电压2.0V，比容量可达182F/g。本发明具有制备工艺简单，成本较低，无污染，制备的碳材料结构可控，性能好。

Description

一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备 方法
技术领域
本发明涉及无机碳纳米材料及电化学领域，尤其涉及一种氮掺杂的多孔碳材料的制备方法及应用。
背景技术
超级电容器是随着材料科学的进步和发展出现的一种新型的能量储存领域和转化装置，具有充放电速度快、循环寿命长、无污染等优点，已引起人们的广泛关注，高性能的电容器在铁路、国防、移动通讯、航空航天、电动汽车、电子产品等领域有着巨大的应用价值和潜在领域。超级电容器性能的好坏很大程度上取决于电极材料，氮掺杂的多孔碳材料较大的比表面积、发达的孔隙结构、良好的化学稳定性和优异的力学性能等，成为制备超级电容器的首选材料。
电解质溶液是影响超级电容器性能不可忽略的因素之一，氢氧化钾溶液在许多材料中时常被用作超级电容器的电解液，特别是镍和钴基电荷储存电极材料。通常情况下，氢氧化钾电解液和其他的水系电解液(如硫酸钠电解液)相比，由于较小尺寸的钾离子和氢氧根离子能够使其得到更高的比容量。然而，高浓度的氢氧化钾溶液是一种腐蚀性液体，这限制其在商业超级电容器的通用性。硫酸钠溶液是一种中性，对生态环境无害的溶液，且电位窗口较高，最高可达2.2V。寻找一种制备工艺简单，成本较低、结构可控且在中性电解质溶液中性能优异的碳电极材料是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电极材料生产工艺复杂，成本较高，比容量较低的技术问题，提供一种生产工艺简单，成本较低的一种氮掺杂的氮掺杂多孔碳球的制备方法及其应用。包括以下过程：
将淀粉用氯化钙溶液浸泡处理，抽滤，滤饼浸入碳酸钾和碳酸氢钾的缓冲溶液中，再浸泡处理，抽滤，干燥后，在惰性气氛中升温至碳化温度，更换为氨气气氛下，保温一段时间，在惰性气氛下冷却至室温，将上述碳化产物用酸溶液清洗三次，过滤干燥得到氮掺杂的多孔碳球；
本发明的其特征在于：氯化钙的浓度为0.1-1mol/L；碳酸钾和碳酸氢钾缓冲溶液的浓度为0.1-1mol/L，缓冲溶液的pH为8-12；浸泡时间为1-48h；所述的干燥温度为60-100℃，干燥时间为3-12h；惰性气氛为通入氮气、氩气和氦气中的至少一种；煅烧过程升温速率为1-5℃/min；所述碳化温度为600-1000℃；保温时间为0.1-24h；通入氨气的流速为1mL/min，时间0-120min；酸溶液为硫酸和盐酸的水溶液中的至少一种；酸溶液处理的条件为：25-80℃，时间10-60min；
本发明制备过程中所用的氯化钙起到造介孔作用。
本发明制备过程中所用的碳酸钾和碳酸氢钾起到成球作用
本发明所制备的氮掺杂多孔碳球在电化学电容器中的应用时其在中性电解质的电位窗口可达2.0V。
本发明所制备的氮掺杂多孔碳球在电化学电容器中的应用时其比容量可达182F/g。
附图说明
图1为本发明实施例1中所制备样品的扫描电镜(SEM)照片；
图2为本发明实施例1中所制备样品的吸脱付附等温曲线(BET)图及相应的孔径分布图；
图3为本发明实施例1中所制备样品的在扫速为100mV/s、电压范围为0-2V、电解液为1mol/L的硫酸钠溶液中的循环伏安曲线图；
具体实施方式
实施例1
称取8.3g无水氯化钙溶于水中，配成250mL的一定浓度的氯化钙溶液，然后将6g的淀粉溶入到该浓度的氯化钙溶液中，室温下静置24h，抽滤，得到的滤饼再次浸入到pH＝9，浓度为0.5mol/L的碳酸钾和碳酸氢钾的缓冲溶液中，室温下静置24h，抽滤，在100℃下干燥4h。将上述产物在移入到管式炉，在氮气气氛下缓慢升温至800℃，关闭氮气阀门，以1mL/min的流速通入氨气0.5h，再在氮气气氛下保温3h，升温速率为3℃/min，然后在氮气下冷却至室温。将产物用稀盐酸浸泡除去金属盐，重复3次，然后用去离子水洗涤至中性，干燥即得到氮掺杂的多孔碳材料。所制备样品的形貌如附图1所示，样品呈球形，分散较均匀；样品的吸附等温曲线及孔分布如图2所示，样品的比表面积为745.2m2/g，富含介孔，介孔主要分布在2-10nm；所制备的多孔碳材料被用作超级电容器电极材料，并组合成对称电极，以1mol/L的硫酸钠为电解质溶液，扫速100mV/s，电压范围0-2.0V进行循环伏安扫描，测得比容量为182F/g。
实施例2
与实施例1相同，只是将氯化钙的用量变为16.5g。所合成碳材料在对称电容器中运行电压2.0V，比容量171F/g。
实施例3
与实施例1相同，只是将恒温温度变为900℃。所合成碳材料在对称电容器中运行电压2.0V，比容量164F/g。
实施例4
与实施例1相同，只是将通入氨气的时间改为0min。所合成碳材料在对称电容器中运行电压2.0V，比容量127F/g。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法和核心思想，在不脱离本发明的原理下进行的改进和修饰，均应包括在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法，包括以下过程：
将淀粉用氯化钙溶液浸泡处理，抽滤，滤饼浸入碳酸钾和碳酸氢钾的缓冲溶液中，再浸泡处理，抽滤，干燥后，在惰性气氛中升温至碳化温度，更换为氨气气氛下，保温一段时间，在惰性气氛下冷却至室温，将上述碳化产物用酸溶液清洗三次，过滤干燥得到氮掺杂的多孔碳球。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：氯化钙的浓度为0.1-1mol/L；碳酸钾和碳酸氢钾缓冲溶液的浓度为0.1-1mol/L，缓冲溶液的pH为8-12；浸泡时间为1-48h；所述的干燥温度为60-100℃，干燥时间为3-12h；惰性气氛为通入氮气、氩气和氦气中的至少一种；煅烧过程升温速率为1-5℃/min；所述碳化温度为600-1000℃；保温时间为0.1-24h；通入氨气的流速为1mL/min，时间0-120min；酸溶液为硫酸和盐酸的水溶液中的至少一种；酸溶液处理的条件为：温度25-80℃，时间10-60min。
3.根据权利要求1-3中任一所述的方法制备的氮掺杂多孔碳球在电化学电容器中的应用。
4.如权利要求3所述的氮掺杂多孔碳球在电化学电容器中的应用，其特征在于：该超级电容器在中性电解质的电位窗口可达2.0V。
5.如权利要求3所述的氮掺杂多孔碳球在电化学电容器中的应用，其特征在于：扫速为100mV/s，电压2.0V，比容量高达182F/g。
CN201610819872.XA 2016-09-12 2016-09-12 一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法 Pending CN106379881A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610819872.XA CN106379881A (zh) 2016-09-12 2016-09-12 一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610819872.XA CN106379881A (zh) 2016-09-12 2016-09-12 一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106379881A true CN106379881A (zh) 2017-02-08

Family

ID=57936640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610819872.XA Pending CN106379881A (zh) 2016-09-12 2016-09-12 一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106379881A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107500267A (zh) * 2017-10-17 2017-12-22 天津工业大学 一种氮掺杂中空碳微球的制备方法
CN114380289A (zh) * 2021-12-13 2022-04-22 北方奥钛纳米技术有限公司 一种碳化颗粒材料及活性碳电极材料的制备方法和应用
WO2024024610A1 (ja) * 2022-07-27 2024-02-01 株式会社クラレ 多孔質炭素およびその製造方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102583318A (zh) * 2012-02-24 2012-07-18 大连理工大学 一种制备氮掺杂分级孔多孔炭微球的方法
CN103922305A (zh) * 2014-03-26 2014-07-16 同济大学 一种高比表面积高氮含量掺杂多孔碳的制备方法
CN104445141A (zh) * 2014-11-07 2015-03-25 同济大学 一种高比表面积氮掺杂改性多孔碳及其制备方法
CN104876207A (zh) * 2015-04-13 2015-09-02 华南理工大学 基于CaCl2催化蔗渣热裂解制备多级孔结构的氮掺杂碳材料的方法
CN105251467A (zh) * 2015-10-16 2016-01-20 天津工业大学 一种高的吸附甲基蓝的材料的制备方法
CN105271167A (zh) * 2015-10-19 2016-01-27 天津工业大学 一种高分散空心碳球的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102583318A (zh) * 2012-02-24 2012-07-18 大连理工大学 一种制备氮掺杂分级孔多孔炭微球的方法
CN103922305A (zh) * 2014-03-26 2014-07-16 同济大学 一种高比表面积高氮含量掺杂多孔碳的制备方法
CN104445141A (zh) * 2014-11-07 2015-03-25 同济大学 一种高比表面积氮掺杂改性多孔碳及其制备方法
CN104876207A (zh) * 2015-04-13 2015-09-02 华南理工大学 基于CaCl2催化蔗渣热裂解制备多级孔结构的氮掺杂碳材料的方法
CN105251467A (zh) * 2015-10-16 2016-01-20 天津工业大学 一种高的吸附甲基蓝的材料的制备方法
CN105271167A (zh) * 2015-10-19 2016-01-27 天津工业大学 一种高分散空心碳球的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANQIN ZHANG ETC.: "A tunable hierarchical porous carbon from starch pretreated by calcium acetate for high performance supercapacitors", 《J SOLID STATE ELECTROCHEM》 *
张艳勤: "以淀粉为碳源的碳微球制备及性能测试", 《万方数据库》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107500267A (zh) * 2017-10-17 2017-12-22 天津工业大学 一种氮掺杂中空碳微球的制备方法
CN114380289A (zh) * 2021-12-13 2022-04-22 北方奥钛纳米技术有限公司 一种碳化颗粒材料及活性碳电极材料的制备方法和应用
WO2024024610A1 (ja) * 2022-07-27 2024-02-01 株式会社クラレ 多孔質炭素およびその製造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104201001B (zh) 一种棒状的氮磷共掺杂介孔碳材料及其制备方法和应用
CN104392849B (zh) 一种二氧化锰/碳复合材料的制备方法
CN104733700B (zh) 一种锂硒电池柔性正极的制备方法
CN105390672A (zh) 三维氮掺杂介孔碳超薄纳米片材料制备方法
CN103641114B (zh) 以氧化锌和氧化铝为模板的石油焦基活性炭的制备和应用
CN106927463A (zh) 一种以萝卜为碳源制备超级电容器电极碳材料的方法
CN104715936B (zh) 一种用于超级电容器的分级多孔碳电极材料及制备方法
CN104071768B (zh) 孔径分级分布的部分石墨化多孔碳电极材料及其制备方法
CN106379881A (zh) 一种用于中性电解质超级电容器的氮掺杂多孔碳球的制备方法
CN107910200A (zh) 一种多级孔氮氧掺杂碳超级电容器电极材料的制备方法
CN104064369B (zh) 一种天然果壳碳材料的制备及其电化学电容器应用
CN103972466A (zh) 一种高温锂亚硫酰氯电池的正极及其制备方法
CN103762090A (zh) 一种自集流超级电容器电极材料及其制备方法
CN106206078A (zh) 一种超级电容器的制作方法
CN104134548B (zh) 一种多孔的二氧化锰及碳的复合材料及其制备方法
CN109830376B (zh) 外加电磁场辅助制备金属氧化物和生物质炭复合电极材料的方法
CN108455604B (zh) 一种羧基沥青基多孔炭及其制备方法与用途
CN106920983B (zh) 一种低温非水系对称有机液流电池
CN108899217B (zh) 一种镶嵌不同电活性物质的碳空心球、制备方法与应用
CN104716338A (zh) 一种液流电池用电极的处理方法
CN109244415A (zh) 一种球形碳包覆钛酸盐复合负极材料的制备方法
CN113072066B (zh) 一种多孔碳材料及其制备方法与超级电容器
CN110706939B (zh) 一种纳米多孔镍合金/二氧化锰电极材料及其制备方法与应用
CN105118684A (zh) 一种介孔钴/碳纳米复合材料的制备方法及其用途
CN104599863B (zh) 一种制备复合材料的方法、复合材料及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170208

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication