CN106587057A - 一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无机纳米材料和电化学领域,具体地说是一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用,包括以下步骤:首先将含氮聚合物与路易斯酸按一定比例溶于酸性溶液中,搅拌1‑8小时,然后蒸干,在惰性气氛保护下,400‑1000℃下活化1‑24小时,自然冷却后,在酸性溶液中洗涤,然后用去离子水洗涤PH至中性,干燥即得到氮掺杂多孔碳材料;本发明同现有技术相比,其制备方法对设备要求低、制备方法简单,便于大规模生产,且制备出的氮掺杂多孔碳材料含氮量高,具有高的比表面积和均一的孔径分布,在电池和电容器电极材料等方面具有很高的应用价值。

Description

一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用
[技术领域]
[0001] 本发明属于无机纳米材料和电化学领域,具体地说是一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用。
[背景技术]
[0002] 超级电容器作为一种独特的电能存储设备,它是连接二次电池和传统电容器之间的重要桥梁,由于其具有广泛的应用和巨大的市场备受全球关注。目前制约超级电容器进一步发展的主要挑战包括能量密度不足、和成本高等问题,因此研究和开发具有高能量密度、长寿命、低成本的超级电容器是当前迫切需要解决的技术瓶颈。电极材料被认为是决定超级电容器性能最重要因素。
[0003] 碳材料具有导电性好、比表面积大、价格低廉、无毒、化学性质稳定等优点,这些优点使得它在超级电容器中有着巨大的应用潜力。无论在学术界还是在实际生产中,超级电容器的电极始终离不开碳材料。然而,碳材料在应用过程中也会存在一些问题,例如:差的亲水性、比容量和能量密度相对较低等。近年来,为了进一步改善多孔碳材料的应用,通常将杂原子(例如N、B、S等)或含杂原子的基团(氨基,硝基,磺酸基等)掺杂到多孔碳材料的表面或结构中,使多孔碳材料的各方面的性能得到改进和提高。在众多的掺杂组分当中,氮是最受研究者们青睐的一种元素。氮元素进入到多孔碳材料的内部结构形成的氮掺杂多孔碳材料,除了具有多孔碳材料的所有优点外,以其独特的机械、电子、光学、半导体、储能性质、适宜的碱性等特点,在超硬材料、吸附、催化和燃料电池等方面的应用范围进一步扩大。因此,氮掺杂多孔碳材料成为近几年研究的热点。
[发明内容]
[0004] 本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法,该方法对设备要求低、制备方法简单,便于大规模生产,且制备出的氮掺杂多孔碳材料含氮量高,具有高的比表面积和均一的孔径分布,在电池和电容器电极材料等方面具有很高的应用价值。
[0005] 为实现上述目的提供一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法,包括以下步骤:首先将含氮聚合物与路易斯酸按一定比例溶于酸性溶液中,搅拌1-8小时,然后蒸干,在惰性气氛保护下,400-1000°C下活化1-24小时,自然冷却后,在酸性溶液中洗涤,然后用去离子水洗涤PH至中性,干燥即得到氮掺杂多孔碳材料。
[0006] 进一步地,所述含氮聚合物与路易斯酸的质量比为1:0.5-10。
[0007] 进一步地,所述含氮聚合物为聚乙烯吡咯烷酮。
[0008] 进一步地,所述路易斯酸为氯化锌或氯化铝。
[0009] 进一步地,所述惰性气氛为氮气或氩气。
[0010] 进一步地,所述酸性溶液为盐酸或硫酸。
[0011] 本发明还提供了一种氮掺杂多孔碳材料在超级电容器电极制备的应用。
[0012] 本发明同现有技术相比,具有如下优点:
[0013] (I)本发明所述方法通过控制活化剂的用量、活化温度、活化时间可以使氮掺杂多孔碳材料的比表面积尚达1040m2/g,尚的含氣量可达8wt %,并具有均一的微孔结构,在喊性水溶液体系中比电容可达257F/g;
[0014] (2)本发明方法对设备要求低、制备方法简单,便于大规模生产;
[0015] (3)本发明方法制备出的氮掺杂多孔碳材料含氮量高,具有高的比表面积和均一的孔径分布,在电池和电容器电极材料等方面具有很高的应用价值;
[0016] (4)本发明应用于超级电容器比电容达到257F/g,在电化学领域具有良好的应用前景。
[附图说明]
[0017]图1是本发明实施例1得到氮掺杂多孔碳材料的吸脱附曲线图;
[0018]图2是本发明实施例1得到氮掺杂多孔碳材料的孔径分布图;
[0019]图3是本发明实施例1得到氮掺杂多孔碳材料的TEM图;
[0020]图4是本发明实施例1得到氮掺杂多孔碳材料的CV曲线图;
[0021]图5是本发明实施例1得到氮掺杂多孔碳材料的充放电曲线图。
[具体实施方式]
[0022] 本发明提供了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法,包括以下步骤:首先将含氮聚合物与路易斯酸按一定比例溶于酸性溶液中,搅拌1-8小时,然后蒸干,在惰性气氛保护下,400-1000°C下活化1-24小时,自然冷却后,在酸性溶液中洗涤,然后用去离子水洗涤PH至中性,干燥即得到氮掺杂多孔碳材料。其中,含氮聚合物与路易斯酸的质量比为1:0.5-10;含氮聚合物为聚乙烯吡咯烷酮,路易斯酸为氯化锌或氯化铝,惰性气氛为氮气或氩气,酸性溶液为盐酸或硫酸。其制备得到的氮掺杂多孔碳材料可应用在超级电容器电极的制备。
[0023]下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明:
[0024] 实施例1
[0025] —种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用,包括以下步骤:首先将聚乙烯吡咯烷酮与氯化锌按1:2比例(质量比)溶于0.1摩尔稀盐酸溶液中,搅拌4小时,然后减压蒸馏把溶剂蒸干,在氮气气氛保护下,500°C下活化4小时,自然冷却后,在I摩尔的盐酸溶液中洗涤48小时,再用去离子水洗涤PH至中性,干燥得到氮掺杂多孔碳材料。氮掺杂多孔碳材料的比表面积为1040m2/g,孔径分布均一,约为0.2-1.0nm,氮含量为8.7 %。
[0026]如附图所示,图1是实施例1得到的氮掺杂多孔碳材料的氮气吸脱附曲线,由图可以看出该材料呈现出典型的微孔特征,比表面积达到1040m2/g。图2是实施例1得到的氮掺杂多孔碳材料的孔径分布曲线,从图可以看出,该材料孔结构主要以微孔为主,孔径主要分布在0.2-1.0nm之间。图3是实施例1得到的氮掺杂多孔碳材料的TEM图,从图可以看出,该材料具有明显的微孔结构。图4是实施例1得到的氮掺杂多孔碳材料的在不同电压下的CV曲线图,从图可以看出,该曲线几乎成矩形,具有典型的双电层电容器特性。图5是实施例1得到的氮掺杂多孔碳材料的在不同电流密度下的充放电曲线图,从图可以看出,其比容量达257F/go
[0027] 实施例2
[0028] —种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用,包括以下步骤:首先将聚乙烯吡咯烷酮与氯化锌按1:3比例(质量比)溶于0.1摩尔稀盐酸溶液中,搅拌8小时,然后减压蒸馏把溶剂蒸干,在氮气气氛保护下,600°C下活化2小时,自然冷却后,在I摩尔的盐酸溶液中洗涤12小时,再用去离子水洗涤PH至中性,干燥得到氮掺杂多孔碳材料。氮掺杂多孔碳材料的比表面积为862m2/g,氮含量为6.4 %。
[0029] 实施例3
[0030] —种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用,包括以下步骤:首先将聚乙烯吡咯烷酮与氯化锌按1:4比例(质量比)溶于0.1摩尔稀盐酸溶液中,搅拌2小时,然后减压蒸馏把溶剂蒸干,在氮气气氛保护下,700°C下活化6小时,自然冷却后,在I摩尔的盐酸溶液中洗涤24小时,再用去离子水洗涤PH至中性,干燥得到氮掺杂多孔碳材料。氮掺杂多孔碳材料的比表面积为786m2/g,氮含量为4.6 %。
[0031] 实施例4
[0032] —种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用,包括以下步骤:首先将聚乙烯吡咯烷酮与氯化锌按1:6比例(质量比)溶于0.1摩尔稀盐酸溶液中,搅拌6小时,然后减压蒸馏把溶剂蒸干,在氮气气氛保护下,800°C下活化4小时,自然冷却后,在I摩尔的盐酸溶液中洗涤6小时,再用去离子水洗涤PH至中性,干燥得到氮掺杂多孔碳材料。氮掺杂多孔碳材料的比表面积为682m2/g,氮含量为3.7%。
[0033] 实施例5
[0034] —种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用,包括以下步骤:首先将聚乙烯吡咯烷酮与氯化铝按1:0.5比例(质量比)溶于0.1摩尔稀硫酸溶液中,搅拌I小时,然后减压蒸馏把溶剂蒸干,在氩气气氛保护下,1000°C下活化I小时,自然冷却后,在I摩尔的硫酸溶液中洗涤12小时,再用去离子水洗涤PH至中性,干燥得到氮掺杂多孔碳材料。
[0035] 实施例6
[0036] —种氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器的应用,包括以下步骤:首先将聚乙烯吡咯烷酮与氯化铝按I: 10比例(质量比)溶于0.1摩尔稀硫酸溶液中,搅拌2小时,然后减压蒸馏把溶剂蒸干,在氮气气氛保护下,400°C下活化24小时,自然冷却后,在I摩尔的硫酸溶液中洗涤24小时,再用去离子水洗涤PH至中性,干燥得到氮掺杂多孔碳材料。
[0037] 本发明并不受上述实施方式的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:首先将含氮聚合物与路易斯酸按一定比例溶于酸性溶液中,搅拌1-8小时,然后蒸干,在惰性气氛保护下,400-10000C下活化1-24小时,自然冷却后,在酸性溶液中洗涤,然后用去离子水洗涤PH至中性,干燥即得到氮掺杂多孔碳材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述含氮聚合物与路易斯酸的质量比为1:0.5-10。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述含氮聚合物为聚乙烯吡咯烷酮。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述路易斯酸为氯化锌或氯化铝。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述惰性气氛为氮气或氩气。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述酸性溶液为盐酸或硫酸。
7.—种根据权利要求1至6中任一项方法所制得的氮掺杂多孔碳材料在超级电容器电极制备的应用。
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