CN108054023A - 一种基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于酚醛树脂凝胶的掺氮多孔碳材料,其特征在于:由间苯二酚,甲醛,碳酸胍在碱性条件下常温搅拌得到含氮凝胶,经冷冻干燥,碱性无机物活化处理,碳化,洗涤,干燥制得。其比表面积范围在2300~2700 m2g‑1。其制备方法包括:1)含氮凝胶的制备;2)含氮凝胶的干燥;3)含氮凝胶的活化;4)含氮凝胶的碳化;5)基于酚醛树脂凝胶的掺氮多孔碳材料的制备。作为超级电容器电极材料的应用,电流密度为20~2 A/g,比电容达到250.0~350.0 F/g。电流密度为10 A/g,充放电5000次后,容量保持率为85%~95%。相较于现有技术的高温和长反应时间,本发明最突出的优点是实现常温下短时间合成,极大提高生产效率,降低成本,在超级电容器领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电化学超级电容器领域,具体涉及一种基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的制备方法及应用。
背景技术
随着人口的急剧增长和经济的快速发展,资源与能源的日渐短缺成为当代社会亟待解决的重要问题之一。因此,清洁可再生能源的开发与应用对国家经济发展以及解决环境问题起到关键的作用。电能,风能,太阳能,潮汐能等都受到广泛的关注,而找到合适的储能装置是至关重要的环节。
超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置,具有功率密度高,循环寿命长,充放电速率快,使用温度范围宽,对环境无污染等优点,被应用于电动汽车,航空航天以及国防科技等领域。超级电容器的材料主要分为三种:碳材料,导电聚合物以及金属氧化物。其中,碳材料具有比表面积大,成本低,导电性好等优点。纯碳材料表面疏水,增加了电解液离子和孔的接触电阻很大程度的影响了电容特性,并且碳材料只能形成双电层电容,比赝电容低了近100倍,而掺杂氮元素会在碳材料表面引入官能团,可使碳材料表面润湿性得到提高,导电性能大幅度提升,所以掺氮多孔碳作为电极材料引起大家的广泛关注。
酚醛树脂由于价格低廉,导电性能好,合成工艺简便,具有多孔结构而备受关注,将氮源引入酚醛树脂,可以提升酚醛树脂的导电性及电容性。但是现有技术中国专利CN200610046107.5公开酚醛树脂需要在80-95℃条件下,反应12-72h。其方法合成温度较高,且时间较长,极大增加了材料生产的成本。因此,如何有效的优化酚醛树脂的合成条件,成为广大科研工作者的关注。
发明内容
本发明的目的是改善多孔碳材料的合成方法,加入合适的氮源,大幅度的降低了间苯二酚-甲醛凝胶的合成时间,同时通过简单的制备方法合成大比表面积的电极材料,改善了材料的孔径分布,从而得到高比电容,循环稳定,低成本的电极材料。
为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于酚醛树脂凝胶的掺氮多孔碳材料,由间苯二酚,甲醛,碳酸胍在碱性条件下常温搅拌得到含氮凝胶,经冷冻干燥,碱性无机物活化处理,碳化,洗涤,干燥制得,所述的掺氮多孔碳材料比表面积范围为2300~2700 m2g-1。
基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1)含氮凝胶的制备,将氢氧化钠,间苯二酚,甲醛,碳酸胍按质量比配比为0.02:1:2:(0~1)溶液,在常温下搅拌3~5小时,得到含氮凝胶;
步骤2)含氮凝胶的干燥,将含氮凝胶在零下40~50℃,进行冷冻干燥40~50小时,得到干燥的含氮前驱体;
步骤3)含氮凝胶的活化,将干燥的含氮前驱体和氢氧化钾按质量比为1:(1~3)混合,在在常温下搅拌0.1~1小时后,放置80~90摄氏度烘箱干燥6~24小时进行活化,得到活化的含氮前驱体;
步骤4)含氮凝胶的碳化,将活化后的含氮前驱体放入管式炉,在氮气气氛下,以4~6℃/min上升到750~850℃保持2~4 h进行煅烧,得到碳化后的含氮凝胶;
步骤5)基于酚醛树脂凝胶的掺氮多孔碳材料的制备,将碳化后的含氮凝胶,用1mol/L的盐酸溶液与去离子水反复洗涤3~5次后,在80~90℃条件下烘干10~20小时,得到基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料。
基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料的应用,电流密度为20~2 A/g,比电容达到250.0~350.0 F/g;电流密度为10 A/g,充放电5000 次后,容量保持率为 85%~95%。
本发明经美国(Quantachrome Instruments) Autosorb-1 型物理吸附仪,荷兰的IVIUM 电化学工作站测试可知:本发明基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料比表面积2300~2700 m2g-1。
本发明基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料的应用时,电流密度为20~2 A/g,比电容达到250~350 F/g;在电流密度为10 A/g,充放电10000次后,容量保持率为85%~95% 。
本发明基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的循环伏安法测试结果表明,在不同的扫描速率下,循环伏安曲线保持良好的类似于矩形形状,具有较好的双电层电容行为和电化学可逆性。
本发明基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的扫描电镜测试结果表明,在放大倍率为8k时可以看出,该材料为絮状结构。
本发明相对于现有技术,具有以下优点:
1、本发明利用加入新的氮源碳酸胍,使间苯二酚甲醛在常温下,3~5小时成胶,相较于现有技术需要在80-95℃条件下反应72h,本发明方法极大的缩短了合成时间,并降低温度为常温,极大的提高了生产效率,降低生产成本;
2、在水系电解液(6M KOH溶液)中,具有高比电容,在20~2 A/g 时,比电容达到250~350F/g;
3、具有高的比表面积,基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料比表面积达到2300~2700m2g-1,吸脱附曲线图含有经典的H2型迟滞回线,表明该材料含有更多介孔结构;
因此,本发明极大缩减了间苯二酚-甲醛体系的成胶时间,并且成功掺杂入氮源,使得材料性能得到很大提升,相比于纯的间苯二酚-甲醛体系的酚醛树脂,具有更高的比电容。
附图说明:
图1为本发明实施例中制备的不含氮的多孔碳材料的吸脱附等温线;
图2为本发明实施例中制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的吸脱附等温线;
图3为本发明实施例中制备的不含氮的多孔碳材料组装的三电极体系的超级电容器在不同电流密度的充放电循环性能曲线;
图4为本发明实施例中制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料组装的三电极体系的超级电容器在不同电流密度的充放电循环性能曲线;
图5为本发明实施例中制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料组装的三电极体系的超级电容器的循环伏安曲线;
图6为本发明实施例中制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料组装的三电极体系的超级电容器的循环寿命曲线;
图7为本发明实施例中制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的扫描电子显微图像图。
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
一种基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的制备方法:
步骤1)将氢氧化钠,间苯二酚,甲醛,碳酸胍按质量比0.02:1:2:1混合,称取氢氧化钠0.02g,间苯二酚2.2g,甲醛4.4g,碳酸胍1g配制成溶液,常温下搅拌4小时后,得到含氮凝胶;
步骤2)将含氮凝胶放在零下40度的条件下进行冷冻干燥48小时,得到干燥的含氮凝胶;
步骤3)将干燥的含氮凝胶与碱性无机物氢氧化钾按质量比1:2混合,加入适量蒸馏水,常温搅拌0.5小时,放置85摄氏度烘箱干燥12小时,得到活化的含氮前驱体;
步骤4)将掺氮前驱体,在氮气气氛下碳化,以5℃/min 上升至800℃,保持3小时,冷却至室温,得到碳化后的掺氮多孔碳材料;
步骤5)用1mol/L 的盐酸溶液与去离子水清洗4次碳化后的掺氮多孔碳材料,将样品放入85℃烘箱,烘干12小时,得到基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料。
为了对比加入氮源碳酸胍,对基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料性能显著提升的效果,制备了不含氮的多孔碳材料。未特别说明的步骤与上述实施例相同,不同之处在于:
所述步骤1)不添加碳酸胍,将氢氧化钠,间苯二酚,甲醛按质量比0.02:1:2混合,称取氢氧化钠0.02g,间苯二酚2.2g,甲醛4.4g,在常温下搅拌96小时后,得到不含氮的凝胶;
所述步骤2)得到干燥的不含氮的凝胶;
所述步骤3)得到活化的不含氮的前驱体;
所述步骤4)得到碳化后的不含氮的多孔碳材料;
所述步骤5)得到不含氮的多孔碳材料。
对上述实施例制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料,在低温氮气等温吸脱附性能测试条件在 160℃条件下脱气 10 小时,然后在77 K条件下进行氮气等温吸脱附测试。
实施例中制备的不含氮的多孔碳材料测试结果如图1所示,其比表面积为2645 m2g-1;实施例中制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料测试结果如图2所示,其比表面积为2377 m2 g-1。
对实施例中制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料的应用时,其电化学的性能测试在电化学工作站上进行。
实施例制备的不含氮的多孔碳材料,测试结果如图3所示,在电流密度为2 A/g时,比电容为193.4 F/g,当电流密度为20 A/g时,比电容分别为158.0F/g;
实施例制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料,测试结果如图4所示,在电流密度为2A/g时,比电容为327.6 F/g;当电流密度为20 A/g时,比电容分别为250.0 F/g。
上述实施例制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的循环伏安法测试,结果如图5所示,在不同的扫描速率下,循环伏安曲线保持良好的类似于矩形形状,具有较好的双电层电容行为和电化学可逆性。
上述实施例制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的循环寿命测试,结果如图6所示,在电流密度为10 A/g,充放电5000次后,容量保持率为89.8%。
上述实施例制备的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的扫描电镜测试,如图7所示,在放大倍率为8k时可以看出,该材料为絮状结构。
Claims (10)
1.一种基于酚醛树脂凝胶的掺氮多孔碳材料,其特征在于:由间苯二酚,甲醛,碳酸胍在碱性条件下常温搅拌得到含氮凝胶,经冷冻干燥,碱性无机物活化处理,碳化,洗涤,干燥制得。
2. 根据权利要求1所述的掺氮多孔碳材料,其特征在于:所述的掺氮多孔碳材料比表面积为2300~2700 m2g-1。
3.根据权利要求1所述基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1)含氮凝胶的制备,将氢氧化钠,间苯二酚,甲醛,碳酸胍按一定质量比配比配制为溶液,在常温下搅拌,得到含氮凝胶;
步骤2)含氮凝胶的干燥,将含氮凝胶进行冷冻干燥,得到干燥的含氮前驱体;
步骤3)含氮凝胶的活化,将干燥的含氮前驱体和氢氧化钾按一定质量比混合,在一定条件下进行活化,得到活化的含氮前驱体;
步骤4)含氮凝胶的碳化,将活化后的含氮前驱体放入管式炉,在一定条件下进行煅烧,得到碳化后的含氮凝胶;
步骤5)基于酚醛树脂凝胶的掺氮多孔碳材料的制备,将碳化后的含氮凝胶,在一定条件下进行洗涤和干燥,得到基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料。
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)氢氧化钠,间苯二酚,甲醛,碳酸胍的质量比为0.02:1:2:(0~1),所述步骤1)常温搅拌的时间为3~5小时。
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)冷冻干燥条件为,冷冻温度为零下40~50℃,干燥时间为40~50小时。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤3)含氮前驱体:氢氧化钾的质量比为1:(1~3),所述步骤3)活化的条件为在常温下搅拌0.1~1小时后,放置80~90摄氏度烘箱干燥6~24小时。
7. 根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤4)碳化的条件为氮气气氛下,以4~6℃/min上升到750~850℃保持2~4 h进行煅烧。
8. 根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤5)洗涤和干燥的条件为用1mol/L 的盐酸溶液与去离子水反复洗涤3~5次后,在80~90℃条件下烘干10~20小时。
9. 根据权利要求1所述的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料的应用,其特征在于:电流密度为20~2 A/g,比电容达到250.0~350.0 F/g。
10. 根据权利要求1所述的基于酚醛树脂的掺氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料的应用,其特征在于:电流密度为10 A/g,充放电5000 次后,容量保持率为 85%~95%。
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CN (1) | CN108054023A (zh) |
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