CN106517197A - 超级电容器用氮掺杂多孔碳材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用花生壳等生物质为原料，通过氮源和活化试剂的引入，一步活化法合成高性能超级电容器用氮掺杂多孔碳材料。本发明包括具体步骤如下：首先将花生壳等生物质粉碎，然后将其与活化试剂、氮源按一定比例混合，向混合物中加入一定量蒸馏水浸渍一段时间后，将其烘干一定时间，最后将混合物在管式炉中高温活化一段时间，固体过滤、洗涤、干燥得到超级电容器用高性能氮掺杂多级孔碳材料。本方法合成路线简单，通过控制活化试剂和氮源的加入量控制多孔碳材料的氮的掺杂量和孔隙发达程度，从而制备高比容量超级电容器用氮掺杂多孔碳材料。

Description

超级电容器用氮掺杂多孔碳材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物质基氮掺杂多孔碳材料的制备方法，具体涉及一种将生物质与活化试剂、氮源混合，再将其高温活化处理制备高性能超级电容器用氮掺杂多孔碳材料的新方法。

背景技术

多孔碳由于具有良好的化学稳定性、导电性、生物相容性，且比表面积大、价格低廉，在超级电容器领域有很高的应用价值。根据储存能量方式的不同，超级电容器分为两类，一类是电化学双层电容器(EDLC)，另一类法拉第电容器，也称氧化还原电容器。在双层电容器中，碳材料通过高速氧化还原反应和吸附离子来进行能量储存。EDLC是一种新型储能设备，功率密度高、充放电速率快、既环保且使用寿命长。与一般的电容器相比，超级电容器由于电极和电解液间接触面积很大、可储存更多能量，具有更高的能量密度，因而超级电容器在能源储存上具有重要的应用前景。电极材料是决定超级电容能性能的关键因素之一，多孔碳由于具有以上物理化学特性也被广泛用于超级电容器电极材料。近年来，为了进一步提高多孔碳材料在这些方面的应用，通常将N、B、S等杂原子或含杂原子的基团如氨基，硝基，磺酸基等掺杂到多孔碳材料的表面或结构中，使其各方面的性能得到改进和提高。在众多的掺杂当中，氮的掺杂备受科研工作者的青睐。如何通过简便可控的方法实现氮掺杂多孔碳材料的制备成为研究的关键。

专利CN105253871A公开了一种超级电容器用含氮碳材料的制备方法，具体步骤：首先将含氮聚合物在惰性气体保护下热处理一段时间得到碳化产物；再将碳化产物与活化剂混合进行活化处理一段时间得到超级电容器用含氮碳材料。专利CN105006374A公开了一种盐模板法制备多孔氮碳复合物的方法及其在超级电容器中的应用。具体步骤为：首先将邻苯二胺单体分散在水中混匀，加入聚合引发剂后混合均匀，反应完成后抽虑干燥，得聚邻苯二胺基体；再将聚邻苯二胺基体与氯化钠，氯化锌混匀，置于管式炉中高温热解，得到氮碳复合物与盐混合物；最后将其酸洗，水洗，去除盐模板，干燥后得多孔氮碳复合物。以上专利存在氮掺杂多孔碳合成原料价格较高，步骤复杂。专利CN105645408A公开了一种利用枣核制备氮掺杂多孔碳材料的工艺以及超级电容器电极的制备方法。其选取枣核为碳源，在惰性保护气体中混合氨气和水蒸气下进行碳化处理，在碳化的过程中同时进行氮掺杂反应，然后在活化剂的作用下活化制孔，制备高比表面积和孔体积的氮掺杂多孔碳材料。其存在氮掺杂多孔碳合成步骤复杂，因此如何实现以廉价的生物质为原料，通过简便的方法实现氮掺杂和活化过程同步完成是制备超级电容器用高性能多孔碳材料的关键。

本专利是以花生壳等生物质为原料，通过氮源的引入，再结合化学活化一步合成高性能超级电容器用氮掺杂多孔碳材料。本路线合成方法简便，通过控制活化试剂和氮源的加入量控制多孔碳材料的氮的掺杂量和孔隙发达程度，最终制备高性能超级电容器用氮掺杂多孔碳材料。

发明内容

本发明目的是提供一种以花生壳等生物质为原料合成高性能超级电容器用氮掺杂多孔碳材料的新方法。

本发明首先将花生壳等生物质粉碎，再将其与活化试剂、氮源按质量比1∶2∶2～1∶5：5(g/g/g)混合，向其中加入一定量蒸馏水混合均匀，将混合物浸渍10h后在90℃烘箱中干燥12h，将干燥后的混合物在700～1000℃管式炉中活化处理1～3h，固体洗涤、干燥，得到的氮掺杂多孔碳材料进行电化学性能测试。

本发明的特征在于：所述生物质为花生壳、稻壳、栗子壳。

本发明的特征在于：所述活化剂为氢氧化钾和氢氧化钠。

本发明的特征在于：所述氮源为尿素和三聚氰胺。

具体实施方式

实施例1：将粉碎后的花生壳、KOH、尿素按质量比1∶5∶3(g/g/g)混合，向其中加入50mL蒸馏水混合均匀，将混合物浸渍10h后在90℃烘箱中干燥12h，将干燥后的混合物在800℃管式炉中活化1h，固体洗涤、干燥，得到的氮掺杂多孔碳材料进行电化学性能测试，以6mol/L的氢氧化钾为电解液，在0～1.0v电压范围内，测得比容量为294F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。

实施例2：改变花生壳、活化试剂、尿素的质量比为1∶4∶3(g/g/g)，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂多孔碳材料的比电容为271F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。

实施例3：改变花生壳、活化试剂、尿素的质量比为1∶5∶2(g/g/g)，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂多孔碳材料的比电容为280F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。

实施例4：改变活化时间为2h，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为258F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。

实施例5：改变活化试剂为氢氧化钠，其他条件同实施例3，得到的氮掺杂多孔碳材料的比电容为251F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。

实施例6：改变氮源为三聚氰胺，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂多孔碳材料的比电容为311F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。

实施例7：改变花生壳、活化试剂、尿素的质量比为1∶3∶2(g/g/g)，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂多孔碳材料的比电容为265F/g，循环5000次容量保持率为95％左右。

实施例8：改变玉米芯、活化试剂、尿素的质量比为1∶4∶1(g/g/g)，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂多孔碳材料的比电容为255F/g，循环5000次容量保持率为97％左右。

实施例9：改变混合物的活化温度为900℃，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂多孔碳材料的比电容为271F/g，循环5000次容量保持率为95％左右。

Claims (4)

1.一种超级电容器用氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其具体步骤如下：

首先将粉碎后的生物质与活化试剂、氮源按质量比1∶2∶2～1∶5∶5(g/g/g)混合，向其中加入一定量蒸馏水混合均匀，将混合物浸渍10h后在90℃烘箱中干燥12h，将干燥后的混合物在700～1000℃管式炉中活化处理1～3h，固体洗涤、干燥，得到的氮掺杂多孔碳材料进行电化学性能测试。

2.一种如权利要求1所述的氮掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述生物质为花生壳、稻壳、栗子壳。

3.一种如权利要求1所述的氮掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述活化剂为氢氧化钾和氢氧化钠。

4.一种如权利要求1所述的氮掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述氮源为尿素和三聚氰胺。