CN111573672A - 氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用；所述制备方法包括以下步骤：将坚果壳粉碎得到碳源；将碳源在空气中碳化，得到碳材料前驱体；将碳材料前驱体与活化剂混合活化；将活化后的碳材料前驱体在氨气环境中再次碳化，制得氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。本发明制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料具有优异的电化学性能，在电容器储能器件以及其他电极材料中具有广阔的应用前景。

Description

氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用。
背景技术
生物质是指任何可再生或可循环的有机质，包括所有的动物、植物和微生物，以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机质，具有价格低廉、来源丰富、环境友好等特点。生物质是地球上最丰富的可再生有机资源储备，价格便宜且易于获得。因为它富含纤维素、半纤维素、木质素，而且无机杂质含量低，尤其适用于制备活性碳材料。
近年来，碳材料因为具有优异的导电性、良好的机械延展性、丰富的孔结构以及可以调节的比表面积等特点受到了广泛关注。目前，使用传统制备活性碳的工艺方法制造的活性碳，比表面积相对较小、孔分布较少、电化学性能不够理想，极大限制了高性能储能器件的发展。因此，由可再生的生物质材料制备高比表面积、孔隙发达、电化学性能优异的碳材料成为研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用，提高碳材料的比表面积，提高碳材料的导电性及电化学性能。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将坚果壳粉碎得到碳源；
(2)将步骤(1)中所得的碳源在空气中碳化，得到碳材料前驱体；
(3)将步骤(2)中所得的碳材料前驱体与活化剂混合活化；
(4)将步骤(3)中所得的活化后的碳材料前驱体在氨气环境中再次碳化，制得氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。
作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，碳化温度为400-800℃。
作为优选的技术方案，：所述步骤(3)中，活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌、磷酸、氯化铝和氯化镁中的一种或几种。
作为优选的技术方案，：所述步骤(3)中，碳材料前驱体与活化剂的质量比为1:1-10。
作为优选的技术方案，所述步骤(3)中，活化温度为100-150℃，活化时间为1-3h。
作为优选的技术方案，：所述步骤(4)中，以1-5℃/min的升温速率升温至600-900℃的碳化温度，保持1-3h，然后冷却至室温。
作为优选的技术方案，所述坚果壳为瓜子壳、松仁壳、碧根果壳、开心果壳、核桃壳和花生壳中的一种或几种。
上述制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。
上述制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料在电容器储能器件中的应用。
上述制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料在电极材料中的应用。
本发明的有益效果：
本发明将坚果壳在空气中碳化，再活化，然后在氨气环境中再次碳化，制得氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。该氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的微观形貌为片层状，具有大量的且不同比例的微孔，极大的提高了比表面积及孔隙率，并且通过掺杂氮元素增强了碳材料的导电性，氮元素的掺杂还可能为碳材料带来赝电容，提升碳材料的电化学性能。因此，本发明制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料具有优异的电化学性能，在电容器储能器件以及其他电极材料中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的扫描电子显微镜图；
图2为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的透射电子显微镜图；
图3为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的AFM谱图；
图4为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的XRD谱图；
图5为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的BET图；
图6为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的CV附曲线图；
图7为实施例1与对比例1所得的碳材料通过GCD曲线表示的容量对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
实施例1
(1)以碧根果壳为原料，将碧根果壳粉碎得到碳源；
(2)将步骤(1)中所得的碳源在空气中700℃下碳化，得到碳材料前驱体；
(3)将步骤(2)中所得的碳材料前驱体与氢氧化钾以质量比1:2混合，加入适量水后加热活化，活化温度为120℃，活化时间为1h；
(4)将步骤(3)中所得的活化后的碳材料前驱体在氨气环境中再次碳化，具体升温过程为：3℃/min升温到700℃保持2h，自然冷却到室温，制得氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。
对比例1
(1)以碧根果壳为原料，将碧根果壳粉碎得到碳源；
(2)将步骤(1)中所得的碳源在空气中700℃下碳化，得到碳材料前驱体；
(3)将步骤(2)中所得的碳材料前驱体与氢氧化钾以质量比1:2混合，加入适量水后加热活化，活化温度为120℃，活化时间为1h；
(4)将步骤(3)中所得的活化后的碳材料前驱体在氩气环境中再次碳化，具体升温过程为：3℃/min升温到700℃保持2h，自然冷却到室温，制得薄层多级孔活性碳材料。
图1为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的扫描电子显微镜图，图2为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的透射电子显微镜图，所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料具有均匀且丰富的孔结构。
图3为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的AFM谱图，可知其片层厚度为5nm左右。
图4为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的XRD谱图，在25度和42度左右的宽包衍射峰可以看出，所得到的材料为类石墨烯材料，并且没有检测到其他杂峰的存在。
图5为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的BET图，由图中可知，所得到的材料具有大量的微孔。
以实施例1和对比例1制得的碳材料分别组装三电极体系并测试所得碳材料的相关电性能：取实施例1和对比例1制得的碳材料分别与导电剂(AB)、粘结剂(PTFE)按质量比80:10:10混合，再加入适量的溶剂(乙醇)，在玛瑙研钵中研磨成均匀浆料，涂覆在直径为1cm的镍网上，然后置于60-120℃鼓风干燥箱中干燥12h制成工作电极，以金属铂片电极为对电极，Hg/HgO电极为参比电极，6M KOH溶液为电解质溶液。将组装好的三电极体系在CHI电化学测试系统上进行电化学性能测试。
图6为实施例1所得的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的CV附曲线图；可以看出该曲线为明显的碳材料曲线。
图7为实施例1与对比例1所得的碳材料通过GCD曲线表示的容量对比图，在1Ag-1时，实施例1所得的碳材料其容量为408F g-1，对比例1所得的碳材料其容量为286F g-1。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将坚果壳粉碎得到碳源；
(2)将步骤(1)中所得的碳源在空气中碳化，得到碳材料前驱体；
(3)将步骤(2)中所得的碳材料前驱体与活化剂混合活化；
(4)将步骤(3)中所得的活化后的碳材料前驱体在氨气环境中再次碳化，制得氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，碳化温度为400-800℃。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌、磷酸、氯化铝和氯化镁中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，碳材料前驱体与活化剂的质量比为1:1-10。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，活化温度为100-150℃，活化时间为1-3h。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，以1-5℃/min的升温速率升温至600-900℃的碳化温度，保持1-3h，然后冷却至室温。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，其特征在于：所述坚果壳为瓜子壳、松仁壳、碧根果壳、开心果壳、核桃壳和花生壳中的一种或几种。
8.权利要求1至7任意一项所述的制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。
9.权利要求1至7任意一项所述的制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料在电容器储能器件中的应用。
10.权利要求1至7任意一项所述的制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料在电极材料中的应用。
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