CN114141548B - 一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法 - Google Patents
一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114141548B CN114141548B CN202111360190.4A CN202111360190A CN114141548B CN 114141548 B CN114141548 B CN 114141548B CN 202111360190 A CN202111360190 A CN 202111360190A CN 114141548 B CN114141548 B CN 114141548B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mgo
- mesostructured
- carbon
- template
- washing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002091 nanocage Substances 0.000 title claims abstract description 75
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 74
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 53
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 28
- 102000020897 Formins Human genes 0.000 claims abstract description 26
- 108091022623 Formins Proteins 0.000 claims abstract description 26
- 229910019440 Mg(OH) Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 14
- ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L magnesium carbonate Chemical compound [Mg+2].[O-]C([O-])=O ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 14
- 239000001095 magnesium carbonate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910000021 magnesium carbonate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 24
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 22
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical compound C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 12
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims 6
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 239000002253 acid Substances 0.000 abstract description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 abstract description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 15
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 13
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 9
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 4
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
- H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，包括如下步骤：S1、将碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)在马弗炉中以10℃min‑1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；S2、将步骤S1所得的MgO和含有Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液混合，磁力搅拌，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；S3、将步骤S2所得的Zn(NO3)2/MgO预模板在氩气惰性气氛下以5‑10℃/min的速率升温至生长温度进行碳纳米笼沉积，反应结束后，自然降温至室温后取出MgO@碳纳米笼样品；S4、将步骤S3所得的MgO@碳纳米笼样品用稀酸浸泡、洗涤去除MgO模板，过滤、水洗多次后干燥得到产品。本发明得到的介观结构碳基纳米笼兼具了高导电性(导电性高达921S/m)、高比表面积(2700m2g‑1)和大孔‑介孔‑微孔共存特征。
Description
技术领域
本发明涉及碳基纳米笼的制备技术领域，具体为一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法。
背景技术
设计、开发兼具高能量密度和高功率密度的能量存储装置是人们追求的目标，双电层超级电容器(EDLCs)通过在电极/电解液界面快速吸附电解液离子来存储能量，具有功率密度高、充放电速度快和循环寿命长等优点，sp2纳米碳具有良好的电导率、多样的形貌和较高的物理化学稳定性，是目前最常用的EDLCs电极材料；
碳材料的孔结构对EDLCs性能起着关键性的作用，大孔作为离子缓存库可以减小扩散距离，介孔可以为离子输运和电荷存储提供快速通道和大的表面积，微孔可以进一步增加电荷存储；
因此，优异的EDLCs性能通常需要大孔、介孔和微孔之间的平衡，3D介观结构纳米碳因具有良好孔结构和高比表面积，被认为是很有前途的EDLCs用电极材料。
发明内容
本发明提供一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，可以有效解决上述背景技术中提出制备介观结构纳米碳的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，包括如下步骤：
S1、将碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)在马弗炉中以10℃min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
S2、将步骤S1所得的MgO和含有Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液混合，磁力搅拌，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
S3、将步骤S2所得的Zn(NO3)2/MgO预模板在氩气惰性气氛下以5-10℃/min的速率升温至生长温度进行碳纳米笼沉积，反应结束后，自然降温至室温后取出MgO@碳纳米笼样品；
S4、将步骤S3所得的MgO@碳纳米笼样品用稀酸浸泡、洗涤去除MgO模板，过滤、水洗多次后干燥得到产品。
根据上述技术方案，所述S2中的Zn(NO3)2·6H2O含量为2.5-7.5mmol，搅拌时间为2-5小时。
根据上述技术方案，所述S3中的生长温度为800-1000℃，石墨烯生长反应的时间为60-120min；
所述惰性气体为氩气、氮气、氦气中的一种或多种。
根据上述技术方案，所述S4中稀酸为稀盐酸或稀硫酸或二者混合液，能够溶解MgO的蚀刻液。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
利用MgO介观结构特征和ZnO在碳材料中产生微孔、提高石墨化程度的特点，发展了MgO@ZnO复合模板法，成功制备出具有3D介观结构的薄壁、高比表面积(SSA)、高导电性的碳纳米笼和氮掺杂碳纳米笼新材料，具体来说，这种新材料由微米尺寸的2D纳米片组成，而纳米片由纳米笼构筑单元相互连接而成。与MgO模板制备的样品相比，该MgO@ZnO复合模板所得碳纳米笼新材料的微孔、比表面积和孔体积、导电性等重要参数均得到显著提升，从而增强了其在碱性和离子液体电解液中的储能能力。结果表明，在KOH和EMIMBF4离子液中，优化的hCNC-5.0展现出高的比电容(281和276F g-1@1A g-1)；即使在超高电流密度为500或300A g-1时，其在这两种电解液中的比电容仍然保持在200和177F g-1，容量保留率分别为71％和64％，在EMIMBF4中，功率密度1.00kW kg-1时，hCNC-5.0具有超高的能量密度153.3Whkg-1；即使在超高功率密度250.4kW kg-1时，能量密度仍达到71.4Wh kg-1，优化的氮掺杂碳纳米笼样品(hNCNC-5.0)的比电容在KOH和EMIMBF4中可达348F g-1和295F g-1@1A g-1，处于碳基超级电容器的领先水平。
(1)、本发明得到的介观结构碳基纳米笼兼具了高导电性(导电性高达921S/m)、高比表面积(2700m2 g-1)和大孔-介孔-微孔共存特征。
(2)、本发明得到的介观结构碳基纳米笼材料作为超级电容器电极材料在水系和离子液体电解液中均展现出高能量密度、超高功率密度以及优异的循环稳定性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1：介观结构碳纳米笼的扫描电镜和透射电镜图；
图2：介观结构碳纳米笼在6mol L-1KOH电解液中的超级电容器性能，a)不同电流密度下的比电容，b)Ragone图，c)50A g-1电流密度下的循环稳定性；
图3：介观结构碳纳米笼在离子液体EMIMBF4电解液中的超级电容器性能，a)不同电流密度下的比电容，b)Ragone图，c)50A g-1电流密度下的循环稳定性；
图4：介观结构氮掺杂碳纳米笼的扫描电镜和透射电镜图；
图5：介观结构氮掺杂碳纳米笼在6mol L-1KOH电解液中的超级电容器性能，a)不同电流密度下的比电容，b)Ragone图，c)50A g-1电流密度下的循环稳定性；
图6：介观结构氮掺杂碳纳米笼在离子液体EMIMBF4电解液中的超级电容器性能，a)不同电流密度下的比电容，b)Ragone图，c)50A g-1电流密度下的循环稳定性。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有2.5mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将苯溶液注入到反应系统内，时长6min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然冷却至室温自然降温至室温后取出MgO@碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构碳纳米笼。
实施例2：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有5.0mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将苯溶液注入到反应系统内，时长8min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然冷却至室温自然降温至室温后取出MgO@碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构碳纳米笼。
实施例3：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有7.5mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将苯溶液注入到反应系统内，时长10min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然冷却至室温自然降温至室温后取出MgO@碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构碳纳米笼。
实施例4：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有2.5mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将吡啶溶液注入到反应系统内，时长4min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然冷却至室温自然降温至室温后取出MgO@氮掺杂碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构氮掺杂碳纳米笼。
实施例5：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有5.0mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将吡啶溶液注入到反应系统内，时长6min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然冷却至室温自然降温至室温后取出MgO@氮掺杂碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构氮掺杂碳纳米笼。
实施例6：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有7.5mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将吡啶溶液注入到反应系统内，时长8min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然冷却至室温自然降温至室温后取出MgO@氮掺杂碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构氮掺杂碳纳米笼。
以实施例2中得到的介观结构碳纳米笼作为超级电容器电极材料，在6mol L-1KOH和离子液体EMIMBF4电解液中分别进行两电极超级电容器性能测试，测试结果如下：
1、6mol L-1KOH电解液下的超级电容器性能：1A g-1电流密度下的比电容达281F g-1，电流密度增加至500A g-1，比电容依然保持200F g-1，展现出超高的倍率性能；相应EDLC展现出高能量密度(11.8Wh kg-1)、超高的倍率性能和功率密度(113.1kW kg-1)；50A g-1高电流下100000个循环后，其电容保持率约为93％，展现出优异的循环稳定性(参见图2)。
2、离子液体EMIMBF4中，介观结构碳纳米笼在1A g-1电流密度下的比电容达276Fg-1，电流密度增加至300A g-1，比电容依然保持177F g-1，展现出优异的倍率性能；相应EDLC展现出了接近锂离子电池水平的高能量密度(153.3Wh kg-1)和超高功率密度(250.4kW kg-1)；50A g-1高电流下50000个循环后，其电容保持率约为91％，展现出优异的循环稳定性(参见图3)。
以实施例5中得到的介观结构氮掺杂碳纳米笼作为超级电容器电极材料，在6molL-1KOH和离子液体EMIMBF4电解液中分别进行两电极超级电容器性能测试，测试结果如下：
1、6mol L-1KOH电解液下的超级电容器性能：1A g-1电流密度下的比电容达348F g-1，电流密度增加至500A g-1，比电容依然保持232F g-1，展现出超高的倍率性能；相应EDLC展现出高能量密度(14.6Wh kg-1)、超高的倍率性能和功率密度(113.8kW kg-1)；50A g-1高电流下100000个循环后，其电容保持率约为90％，展现出优异的循环稳定性(参见图5)。
2、离子液体EMIMBF4中，介观结构氮掺杂碳纳米笼在1A g-1电流密度下的比电容达297F g-1，电流密度增加至300A g-1，比电容依然保持186F g-1，展现出优异的倍率性能；相应EDLC展现出了接近锂离子电池水平的高能量密度(148.4Wh kg-1)和超高功率密度(250.8kW kg-1)；50A g-1高电流下50000个循环后，其电容保持率约为89％，展现出优异的循环稳定性(参见图6)。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁化学式为4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有2.5mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将苯溶液注入到反应系统内，时长6min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然降温至室温后取出MgO@碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构碳纳米笼。
2.一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁化学式为4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有5.0mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将苯溶液注入到反应系统内，时长8min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然降温至室温后取出MgO@碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构碳纳米笼。
3.一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁化学式为4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有7.5mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将苯溶液注入到反应系统内，时长10min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然降温至室温后取出MgO@碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构碳纳米笼。
4.一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁化学式为4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有2.5mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将吡啶溶液注入到反应系统内，时长4min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然降温至室温后取出MgO@氮掺杂碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构氮掺杂碳纳米笼。
5.一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁化学式为4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有5.0mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将吡啶溶液注入到反应系统内，时长6min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然降温至室温后取出MgO@氮掺杂碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构氮掺杂碳纳米笼。
6.一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)：取20g碱式碳酸镁化学式为4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O在马弗炉中以10℃ min-1的速度加热到800℃，得到介观结构MgO；
步骤(2)：取1.5g步骤(1)所得的介观结构MgO添加到100mL含有7.5mmol Zn(NO3)2·6H2O的乙醇溶液中，磁力搅拌2.0h，然后将悬浮液过滤并在80℃下真空干燥12h，得到Zn(NO3)2/MgO预模板；
步骤(3)：将步骤(2)所得的Zn(NO3)2/MgO预模板置于垂直管式炉中的砂芯上，在100sccm的气流下通入Ar气30min，以充分排除管子内空气，将管式炉以10℃ min-1的速率加热到800℃，然后用注射泵以50μL min-1的速率将吡啶溶液注入到反应系统内，时长8min，沉积结束后，在800℃下保温2h，待系统自然降温至室温后取出MgO@氮掺杂碳纳米笼样品；
步骤(4)：将步骤(3)所得的MgO@碳纳米笼样品用3mol L-1的稀HCl浸泡、洗涤3次，用去离子水洗涤至中性，80℃下真空干燥24h，得到分级结构氮掺杂碳纳米笼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111360190.4A CN114141548B (zh) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111360190.4A CN114141548B (zh) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114141548A CN114141548A (zh) | 2022-03-04 |
| CN114141548B true CN114141548B (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=80390407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111360190.4A Active CN114141548B (zh) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114141548B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101284663A (zh) * | 2008-04-14 | 2008-10-15 | 南京大学 | 大量制备高品质空心碳纳米笼的方法 |
| CN102530922A (zh) * | 2012-03-12 | 2012-07-04 | 南京大学 | 一种氮掺杂空心碳纳米笼的制备方法 |
| US20180257940A1 (en) * | 2015-09-14 | 2018-09-13 | University Of Louisville Research Foundation, Inc. | Methods for synthesizing carbon nanocages |
| CN109126857A (zh) * | 2018-10-22 | 2019-01-04 | 南京大学 | 一种基于碳纳米笼载体的金属单原子催化剂及其制备方法 |
| CN109734081A (zh) * | 2019-03-18 | 2019-05-10 | 新奥石墨烯技术有限公司 | 介孔模板剂及其制备方法、三维介孔石墨烯及其制备方法、储能材料和电池 |
| CN110467182A (zh) * | 2019-09-07 | 2019-11-19 | 北方民族大学 | 一种基于反应模板的多级孔碳基材料及其制备方法和应用 |
| CN111834130A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-10-27 | 南京大学 | 塌陷碳基纳米笼电极材料及其制备方法 |
-
2021
- 2021-11-17 CN CN202111360190.4A patent/CN114141548B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101284663A (zh) * | 2008-04-14 | 2008-10-15 | 南京大学 | 大量制备高品质空心碳纳米笼的方法 |
| CN102530922A (zh) * | 2012-03-12 | 2012-07-04 | 南京大学 | 一种氮掺杂空心碳纳米笼的制备方法 |
| US20180257940A1 (en) * | 2015-09-14 | 2018-09-13 | University Of Louisville Research Foundation, Inc. | Methods for synthesizing carbon nanocages |
| CN109126857A (zh) * | 2018-10-22 | 2019-01-04 | 南京大学 | 一种基于碳纳米笼载体的金属单原子催化剂及其制备方法 |
| CN109734081A (zh) * | 2019-03-18 | 2019-05-10 | 新奥石墨烯技术有限公司 | 介孔模板剂及其制备方法、三维介孔石墨烯及其制备方法、储能材料和电池 |
| CN110467182A (zh) * | 2019-09-07 | 2019-11-19 | 北方民族大学 | 一种基于反应模板的多级孔碳基材料及其制备方法和应用 |
| CN111834130A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-10-27 | 南京大学 | 塌陷碳基纳米笼电极材料及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114141548A (zh) | 2022-03-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Carbon cloth as an advanced electrode material for supercapacitors: progress and challenges | |
| US10889497B2 (en) | Sheet-shaped nitrogen-phosphorus co-doped porous carbon material and method for preparation thereof and use thereof | |
| Zhang et al. | Recent advances in porous graphene materials for supercapacitor applications | |
| Yuan et al. | Hierarchically porous Co3O4 film with mesoporous walls prepared via liquid crystalline template for supercapacitor application | |
| CN113871604B (zh) | 含硅矿物基多孔硅碳复合负极材料及其制备方法 | |
| Wu et al. | Template-free preparation of mesoporous carbon from rice husks for use in supercapacitors | |
| CN108054020B (zh) | 一种氮掺杂碳颗粒/石墨化碳氮复合材料的制备方法及应用 | |
| CN109768266B (zh) | 一种氮钴共催化的三维氮掺杂碳夹层及其制备方法 | |
| CN110648854B (zh) | 硼氮共掺杂碳/锰氧化物复合纳米片材料、制备方法及应用 | |
| CN108922790A (zh) | 一种钠离子嵌入的二氧化锰/氮掺杂多孔碳复合材料的制备方法和应用 | |
| CN107244664A (zh) | 类石墨烯结构碳电极材料的制备方法及应用 | |
| CN112850708A (zh) | 高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备方法及应用 | |
| CN110148524A (zh) | 一种嵌套式CeO2/GO/AAO纳米阵列超级电容器电极材料及其制备方法 | |
| CN111446086A (zh) | 一种镍钴锰氢氧化物纳米片/泡沫镍@氮掺杂碳电极材料的制备方法 | |
| CN111834130A (zh) | 塌陷碳基纳米笼电极材料及其制备方法 | |
| CN103523771A (zh) | 石墨烯及其活化方法与超级电容器 | |
| Yu et al. | Advancements and prospects of graphite anode for potassium‐ion batteries | |
| CN110277541B (zh) | 磷酸铁锂复合正极材料及制备方法、锂离子电池、电容器 | |
| CN113072066B (zh) | 一种多孔碳材料及其制备方法与超级电容器 | |
| CN114141548B (zh) | 一种高性能超级电容器用介观结构碳基纳米笼的制备方法 | |
| CN102142318B (zh) | 有序中孔炭/MnO2纳米复合电极材料及其制备方法 | |
| CN117142464A (zh) | 一种高容量的石墨负极材料制备工艺 | |
| CN110136992A (zh) | 一种利用葡萄制备超级电容器电极材料的方法 | |
| CN112201480B (zh) | 一种用于超级电容器电极的含氧功能基团修饰的多孔碳布材料及其制备方法 | |
| CN115124020A (zh) | 一种具有分级孔的硼氮共掺杂碳材料及其制备方法与应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |