CN107546039B

CN107546039B - 一种锶掺杂含氮多孔碳材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN107546039B
Application number: CN201710686777.1A
Authority: CN
Inventors: 邱树君; 高薇; 邵春风; 褚海亮; 邹勇进; 向翠丽; 徐芬; 孙立贤
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2037-08-11
Also published as: CN107546039A

Abstract

本发明公开了一种锶掺杂含氮多孔碳材料，由葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂，经水热反应和处理后，加入碱性无机物溶液煅烧活化和处理后制得，其比表面积范围在2000~2485 m² g^‑1，平均孔径分布在1.178‑1.232 nm，且微孔含量超过92%。制备步骤包括：1）含锶前驱体的制备；2）含锶前驱体的活化；3）含锶前驱体的后处理。本发明材料作为超级电容器电极材料，在电流密度为0.5 A g^‑1时，比电容值范围在319~424 F g^‑1，具有良好的循环稳定性。本发明中锶的掺杂量大幅减少，同时提高了材料的比表面积，调控了孔径分布，有利于电子传输和电解液输运，并且提供赝电容；制备工艺简单，有利于实现批量生产，在超级电容器、燃料电池等领域具有良好的应用前景。

Description

一种锶掺杂含氮多孔碳材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及碳多孔材料技术领域，具体涉及锶掺杂含氮多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器具备成本低廉、材料丰富、充放电寿命长及安全性能高等特点。超级电容器分为双电层电容器和赝电容。双电层电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，是可逆过程，并没有发生电化学反应，因此性能稳定且循环寿命长。膺电容的最大充放电性能由电化学活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制，可在短时间内进行电荷转移，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。混合型电容器介于两者之间。

随着纳米材料研究和应用的快速发展，碳作为多功能材料因为具有来源丰富、环境友好、价格低廉等优点受到了人们的广泛关注。多孔碳材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，因具有分子尺寸的均匀孔道结构，连续的孔道体系和大的比表面积等特性，在吸附、离子交换，特别是在催化等领域有广泛的应用。为了进一步改进电化学性能，氮掺杂多孔碳材料有丰富的多孔结构和较高的比表面积，吡啶氮含有活性位点，有利于杂原子负载。在氮掺杂多孔碳材料中引入S、P、B等非金属原子可以显著地改善其机械、导电和电化学性能。

混合型电化学超级电容器是近年来被关注的储能元件，介于双电层电容器和赝电容电容器之间。它比常规电容器能量密度大，而且可快速充放电，使用寿命长，是一种高效、实用的能量存储装置，因而有着广泛的应用前景。而Mo、Co、V、Sr等金属提供赝电容，提高比电容，有利于能量的储存。锶是第二主族碱土金属，主要是5d轨道未充满，提供电子，有活性位点。本发明以硝酸锶等无机盐为锶源制备锶掺杂含氮多孔碳材料，用于混合型电容器电极材料，金属锶/氮掺杂多孔碳材料提供部分赝电容，提高比容量。硝酸锶的添加量为0.5%-1%（质量百分比），之前报道的其他金属添加量大概为7.5%（质量百分比）。本发明中锶添加量比之前报道的其他金属添加量少15倍左右，降低了成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种锶掺杂含氮多孔碳材料及其制备方法，并用作混合型电容器电极材料。通过对多孔碳材料进行改性，调控孔径分布，同时解决目前的比电容低、电极材料制备过程繁琐、成本高等问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是利用葡萄糖为碳源，氨基脲为氮源，硼氢化钠为还原剂，硝酸锶等无机盐为锶源，其合成过程是采用水热反应合成含锶前驱体，用碱性无机物KOH等为活化剂，高温热解方法制备出锶掺杂含氮多孔碳材料。作为混合型电容器电极材料，多孔碳提供大的比表面积，金属有助于电子的快速转移，其比容量显著提高，改善了混合型电容器的性能。

实现本发明目的的具体技术方案是：

锶掺杂含氮多孔碳材料，由葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂，按一定的质量比混合溶解、水热反应、过滤、洗涤、干燥得含锶前驱体，然后以一定质量比加入到碱性无机物溶液浸泡后煅烧活化，之后经研磨、洗涤、干燥制得，其比表面积其范围在2000~2485 m²g^-1，平均孔径分布在1.178-1.232 nm微孔范围内，且微孔含量超过92%。

锶掺杂含氮多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：

步骤1）含锶前驱体的制备，按葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂的质量比为1.0：0.5：（0.008~0.016）：（0.008~0.016），将葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂依次加入到去离子水中搅拌溶解，之后放入反应釜中在150~250 ℃条件下反应，之后将产物过滤、洗涤、烘干得到含锶前驱体，所述含锶无机盐为氯化锶、硝酸锶或硫酸锶的一种，还原剂为硼氢化钠；

步骤2）含锶前驱体的活化，按含锶前驱体和碱性无机物的质量比为1.0：（1.0~4.0），将含锶前驱体和碱性无机物放入水中浸泡去离子水中搅拌，干燥，之后在一定条件下煅烧活化，得到活化的含锶前驱体的材料，所述含锶前驱体和碱性无机物的质量比为1.0：（1.0~4.0），所述碱性无机物为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、氯化锌中的任意一种或两种的混合，所述活化条件为活化温度为500~1000 ℃，升温速率为3 ℃/min，活化时间为1~5小时；

步骤3）含锶前驱体的后处理，将上述活化的含锶前驱体的材料洗涤至中性后，过滤、烘干、研磨得到锶掺杂含氮多孔碳材料。

锶掺杂含氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料的应用时，当电流密度为0.5 Ag^-1时，比电容值范围在319~424 F g^-1。

本发明经扫描电子显微镜测试，结果表明，该锶掺杂含氮多孔碳材料呈现出一种层片状的结构。

本发明经等温吸附曲线和孔径分布测试，结果表明，其具有大量的微孔和适量的介孔，较高的比表面积，可达2000~2485 m² g^-1，平均孔径为1.178-1.232 nm。

本发明经恒电流充放电测试结果，结果表明，当电流密度为0.5 A g^-1时，比电容值达319~424 F g^-1。

本发明经循环伏安测试，结果表明，在不同的扫描速率下，循环伏安曲线显示出明显的碳材料的氧化还原峰且类似于矩形形状，表明有良好的双电层电容的性能。

为了对比添加锶含量对碳材料合成的影响，制备了2倍硝酸锶用量的锶掺杂多孔碳材料。经等温吸附曲线和孔径分布测试和恒电流充放电测试，结果表明，添加1%（质量比分比）的硝酸锶含氮多孔结构碳材料，当电流密度为0.5 A g^-1时，比电容值为325 F g^-1。

对比测试结果表明，添加0.5%的硝酸锶含氮多孔碳材料孔容增大、孔径分布均一，进一步增强了其超级电容器性能。在20 A g^-1的电流密度下比容量仍保持在319 F g^-1。

因此，本发明的锶掺杂含氮多孔活性碳材料对于现有技术具有以下优点：

一、本发明制备工艺简单，制备条件可控，原料来源广，绿色清洁，有利于实现工业生产；

二、本发明锶掺杂含氮多孔碳材料具有高比表面积和合适的孔径分布，有利于电子传输，且提供赝电容；

三、本发明作为超级电容器电极材料的应用时，当电流密度为0.5 A g^-1时，比电容值范围在319~424 F g^-1，具有良好的循环稳定性；

四、本发明硝酸锶添加量为0.5%-1%（质量比分比），之前报道的其他金属添加量大概为7.5%，添加量减少15倍左右。

因此，本发明在超级电容器和燃料电池领域有广阔的应用前景。

附图说明：

图1为实施例1中的扫描电子显微图像图；

图2为实施例1中的低温氮气等温吸附曲线；

图3为实施例1中的孔径分布曲线；

图4为实施例1中的在不同电流密度的充放电循环性能曲线；

图5为实施例1中的循环伏安图；

图6为实施例2中的低温氮气等温吸附曲线；

图7为实施例2中的孔径分布曲线；

图8为实施例2中的在不同电流密度的充放电循环性能曲线。

具体实施方式

本发明通过实施例，结合说明书附图对本发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限定。

实施例1

掺杂锶含氮多孔碳材料的制备方法如下：

步骤1）含锶前驱体的制备，将4 g葡萄糖、2 g氨基脲、31.2 mg硝酸锶、32.1 mg硼氢化钠依次加入到去离子水中搅拌溶解，之后放入反应釜中在180 ℃条件下反应，之后将产物过滤、洗涤、烘干得到含锶前驱体；

步骤2）含锶前驱体的活化，将含锶前驱体和KOH按1.0：2.0的质量比混合浸泡去离子水中搅拌，放入鼓风干燥箱中干燥，之后在氮气保护下700 ℃煅烧2 h，降温后取出焙烧后样品研磨，得到活化的含锶前驱体的材料；

步骤3）含锶前驱体的后处理，将上述产物用去离子水洗至中性，过滤、烘干、研磨得到锶掺杂多孔碳材料。

实施例1中的扫描电子显微镜照片如图1所示，可以看出，该碳材料呈现一种层片状的结构，在这种结构中存在大量的多孔结构，有丰富的孔洞，有利于电解液和传输和电子转移。

实施例1中的等温吸附曲线和孔径分布，如图2和3所示，结果显示，比表面积为2000 m² g^-1，总孔体积为1.043 cm³ g^-1。

实施例1中的不同倍率恒流充放电下的比容量测试结果，如图4所示，当电流密度为0.5 A g^-1时，比电容值达424 F g^-1。

实施例1中的循环伏安测试结果，如图5所示，在不同的扫描速率下，循环伏安曲线显示出明显的碳材料的氧化还原峰且类似于矩形形状，表明有良好的双电层电容的性能。

实施例2

为了对比添加锶含量对碳材料合成的影响，制备了2倍硝酸锶用量的锶掺杂多孔碳材料，其制备方法的具体步骤如未特别说明的步骤与实施例1制备方法相同，不同之处在于：所述步骤1）中硝酸锶的质量为62.4 mg。

实施例2中的等温吸附曲线和孔径分布，如图6和7所示，结果显示，比表面积为2485 m² g^-1，总孔体积为0.841 cm³ g^-1。

实施例2中的不同倍率恒流充放电下的比容量测试测试结果如图8所示，当电流密度为0.5 A g^-1时，比电容值达325 F g^-1。

Claims

1.一种锶掺杂含氮多孔碳材料，其特征在于：由葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂，按一定的质量比混合、溶解、水热合成、过滤、洗涤、干燥得含锶前驱体，然后以一定质量比加入到碱性无机物溶液中浸泡后煅烧活化，之后经过滤、烘干、研磨制得，所述含锶无机盐为氯化锶、硝酸锶或硫酸锶，还原剂为硼氢化钠，所述葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂的质量比为1.0：0.5：（0.008~0.016）：0.008。

2.根据权利要求1所述的锶掺杂含氮多孔碳材料，其特征在于：所述锶掺杂含氮多孔碳材料的比表面积其范围在2000~2485 m² g^-1，平均孔径分布在1.178-1.232 nm的微孔范围内，且微孔含量超过92%。

3.根据权利要求1所述锶掺杂含氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1）含锶前驱体的制备，按一定质量比，将葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂依次加入到去离子水中搅拌溶解，之后放入反应釜中在一定温度下反应，之后将产物过滤、洗涤、烘干得到含锶前驱体，所述含锶无机盐为氯化锶、硝酸锶或硫酸锶，还原剂为硼氢化钠；

所述步骤1）的葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂的质量比为1.0：0.5：（0.008~0.016）：0.008；

步骤2）含锶前驱体的活化，按一定质量比，将含锶前驱体和碱性无机物放入去离子水中搅拌、干燥，之后在一定条件下煅烧活化，得到活化的含锶前驱体材料；

步骤3）含锶前驱体的后处理，将上述活化的含锶前驱体材料洗涤至中性后，过滤、烘干、研磨得到锶掺杂含氮多孔碳材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1）的反应温度为150~250℃。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2）的含锶前驱体和碱性无机物的质量比为1.0：（1.0~4.0），碱性无机物为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾中的任意一种或两种的混合。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2）的活化条件为活化温度为500~1000 ℃，升温速率为3 ℃/min，活化时间为1~5小时。

7.根据权利要求1所述锶掺杂含氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料，其特征在于：当电流密度为0.5 A g^-1时，比电容值范围在319~424 F g^-1。