CN114477169A - 一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用 - Google Patents

一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114477169A
CN114477169A CN202011162573.6A CN202011162573A CN114477169A CN 114477169 A CN114477169 A CN 114477169A CN 202011162573 A CN202011162573 A CN 202011162573A CN 114477169 A CN114477169 A CN 114477169A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nitrogen
lignin
electrode
based hierarchical
doped
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.)
Granted
Application number
CN202011162573.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114477169B (zh
Inventor
吴忠帅
刘芳延
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN202011162573.6A priority Critical patent/CN114477169B/zh
Publication of CN114477169A publication Critical patent/CN114477169A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114477169B publication Critical patent/CN114477169B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/342—Preparation characterised by non-gaseous activating agents
    • C01B32/348—Metallic compounds
    • 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
    • H01G11/04—Hybrid capacitors
    • H01G11/06—Hybrid capacitors with one of the electrodes allowing ions to be reversibly doped thereinto, e.g. lithium ion capacitors [LIC]
    • 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
    • H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • 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
    • 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
    • H01G11/44—Raw materials therefor, e.g. resins or coal
    • 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
    • H01G11/50—Electrodes characterised by their material specially adapted for lithium-ion capacitors, e.g. for lithium-doping or for intercalation
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

本申请公开了一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用，所述氮掺杂木质素基层次孔炭为黑色粉末，比表面积为1200～2200m2/g，具有层次孔结构，孔容为1～2cm3/g,氮含量为5～15at.％。该材料应用于锂离子电容器时具有较高的比容量、优良的倍率性能和良好的循环稳定性。

Description

一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用
技术领域
本申请涉及一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用，属于锂离子电容器领域。
背景技术
锂离子电容器作为一种新型储能器件，其迅猛的发展速度日益受到科研人员的关注。锂离子电容器的正极材料是双电层储能的电容型材料，负极是具有锂离子嵌入/脱嵌功能的电池型材料，电解液为锂盐电解液。与锂离子电池相比，锂离子电容器具有较高的能率密度和循环寿命；与超级电容器相比，具有更高的能量密度。因此，锂离子电容器军工领域、公共交通领域和工业节能领域具有巨大的潜在应用价值。正极材料是制约锂离子电容器能量密度提高的重要因素，负极材料是影响锂离子电容器功率密度的关键因素。因此，开发具有兼具比容量高、倍率性能优良、循环寿命长和安全可靠等性能的正极和负极材料已经迫在眉睫。
目前，生物质基炭材料来源广泛、成本低廉、环境友好、物理化学特性可控，其作为电极材料已经引起极大关注。具有丰富层次孔结构和较大比表面积的生物质基炭材料已经成功地应用到锂离子电容器和超级电容器电极当中。此类生物质基炭材料的微孔为电解液离子的存储提供无数的活性位点有利于增加材料的比容量，而介孔和大孔的存在有利于电解质离子的快速运输，从而提高材料的倍率性能。因此，具有丰富的层次孔结构和较大比表面积的生物质基炭材料在锂离子电容器电极材料中具有广阔的应用前景。异质原子的掺杂可通过改变炭材料的导电性，改善其表面浸润性进一步提高材料的电化学性能。其中，氮原子的原子半径与碳原子的相近，使其容易掺杂进炭材料的石墨晶格，增加其晶格缺陷，作为电子给予体会显著提高炭材料的导电性；氮原子进入炭材料晶格后，能够显著加强炭材料表面与溶液中离子的键合作用，并能提供赝电容，从而提高炭材料的电化学性能。木质素是一种广泛存在于植物体内的天然高分子化合物，在自然界中的储量仅次于纤维素，并且每年都以500亿吨的速度再生。工业木质素是生物质精炼和纸浆造纸产业的副产物，具有成本低、含碳量高、生物可降解性及良好的热稳定性。但是，大部分工业木质素由于利用率低下而直接焚烧或者排入江河，造成严重的资源浪费和环境污染。因此，将工业木质素应用到储能领域可以扩大其应用范围，极大提高其附加值。目前，将天然生物质应用到储能领域通常是采用活化剂对其进行处理或者先碳化后活化制备多孔炭，复杂的过程和活化剂的使用会消耗大量时间及增加成本。
发明内容
根据本申请的第一个方面，提供了一种氮掺杂木质素基层次孔炭，所述氮掺杂木质素基层次孔炭为黑色粉末，比表面积为积1200～2200m2/g，具有层次孔结构，孔容为1～2cm3/g，氮含量为5～15at.％。该材料应用于锂离子电容器时具有较高的比容量、优良的倍率性能和良好的循环稳定性。
可选地，所述层次孔包括微孔、介孔和大孔。
根据本申请的第二个方面，提供了一种氮掺杂木质素基层次孔炭的制备方法，至少包括以下步骤：
1)将碱性木质素、尿素、溶剂的混合物在60～100℃下加热，得到碱性木质素/尿素的混合物；
2)将所述碱性木质素/尿素的混合物进行高温处理，得到氮掺杂木质素基层次孔炭。
可选地，步骤1)加热温度上限选自65℃、70℃、75℃、100℃，下限选自60℃、65℃、70℃、75℃；
可选地，步骤1)加热时间选自1～12h；
可选地，步骤1)加热时间上限为2h、4h、12h，下限选自1h、2h、4h。
本申请通过将碱性木质素和尿素加入适量溶剂中，当温度升高至60～100℃时，碱性木质素在溶剂中呈熔融状态，可与尿素充分混合均匀，有利于实现氮元素的均匀掺杂；此外，无需额外加入造孔剂即可实现碱性木质素造孔。
可选地，所述碱性木质素为pH为10～12的木质素磺酸盐。
可选地，所述碱性木质素中含有杂质，所述杂质为无机盐。
可选地，所述杂质包括氯化钠、氯化钾、碳酸钠、硫酸钠中的至少一种。
碱性木质素中含有氯化钠、氯化钾、碳酸钠、硫酸钠等杂质，这些杂质在碱性木质素高温煅烧过程中起到造孔剂的作用。
可选地，所述溶剂包括有机溶剂和水；
可选地，所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮中的至少一种；
可选地，所述有机溶剂与原料的质量比为0～0.5：1，所述原料为所述碱性木质素和尿素；
可选地，所述水与所述原料的质量比为0～0.2：1。
当溶剂按上述配方配比时，既能保证木质素与尿素的紧密接触，又能促进木质素与尿素的进一步混合均匀，确保了氮元素在木质素基碳材料上的均匀高含量掺杂。
优选地，所述有机溶剂与原料的质量比为0～0.4：1。
优选地，所述水与所述原料的质量比为0～0.1：1。
可选地，所述碱性木质素和尿素的质量比为1：0.02～2。
具体地，所述碱性木质素和尿素的质量比上限选自1：0.02、1：0.05、1：0.5、1：1，下限选自1：0.05、1：0.5、1：1、1：2。
可选地，步骤2)所述反应的具体条件包括：
在非活性气氛下进行；
先在300～500℃反应0.5～6h，然后在600～1100℃反应0.5～8h。
本申请中，所述非活性气氛是指氮气气氛和惰性气氛中的至少一种。
可选地，以1～5℃/min的升温速率升温至300～500℃，以1～10℃/min的升温速率升温至600～1100℃。
可选地，在300～500℃反应0.5～6h后，反应温度上限选自700℃、800℃、900℃或1100℃，下限选自600℃、700℃、800℃或900℃。
可选地，步骤2)反应结束后将产物研磨成粉末，酸洗、洗涤、干燥，得到最终产物。
可选地，酸洗所用溶液为0.1～3.0M的盐酸溶液。
可选地，反应结束后干燥温度为80～120℃，干燥时间为6～20小时。
在一个具体实施例中，一种氮掺杂木质素基层次孔炭制备方法，其包括：
A.以碱性木质素为碳源，尿素为氮源，将两者混合均匀后，加入一定量的有机溶剂和去离子水后混合均匀，放入60～100℃的烘箱中加热1～12小时后得到碱性木质素/尿素混合物；
B.将碱性木质素/尿素混合物置于管式炉中，通入惰性气体，在低温条件下(例如：300～500℃)预碳化0.5～6小时，之后升温至600～1100℃进行高温煅烧，反应时间为0.5～8小时，冷却至室温后得到产物。将产物研磨成粉末后酸洗、超声处理，之后用去离子水清洗至中性，过滤收集，干燥后获得氮掺杂木质素基层次孔炭。
本申请的第三方面，提供了一种锂离子电容器负极材料，其活性物质为上述的氮掺杂木质素基层次孔炭、上述的制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种。
本申请的第四方面，提供了一种锂离子电容器正极材料，其活性物质为上述的氮掺杂木质素基层次孔炭、上述的制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种。
本申请的第五个方面，提供了一种电极，包括：
活性物质；
导电剂；
粘结剂；以及
集流体；
其中，所述活性物质为上述的氮掺杂木质素基层次孔炭、上述任一项所述的制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种。
其中，所导电剂选自科琴黑、导电炭黑、石墨烯、碳纳米管中的至少一种；
所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚丙烯酸、丁苯橡胶的至少一种；
所述集流体为铜箔、涂炭铜箔、涂炭铝箔、不锈钢网中的至少一种；
可选地，所述电极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为8：1：1。
可选地，所述电极中活性物质的负载量为0.8～2mg/cm2。
本申请的第六个方面，提供了一种电极的制备方法，包括：
将含有活性物质、导电剂、粘结剂的浆料复合到集流体上，得到所述电极，其中，所述活性物质为上述的氮掺杂木质素基层次孔炭、上述任一项制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种。
可选地，所述复合包括涂覆、辊压、挤压中的至少一种。
可选地，所述电极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为8：1：1。
本申请的第七个方面，提供了一种半电池，包括：
正极，选自上述电极、上述制备方法制备的电极中的至少一种；
电解液；以及
负极，金属锂电极。
可选地，所述电解液为含有锂离子的溶液。
优选地，所述电解液主要由锂源和溶剂组成，其中锂源为LiPF6，溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯按照体积比1:1:1组成。
可选地，所述电容器还包括隔膜，所述隔膜为Celgard2400。
本申请的第八个方面，提供了上述的氮掺杂木质素基层次孔炭、上述任一项所述的制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种在锂离子电容器中的应用。
一种锂离子电容器，包括：正极、电解液和负极；
所述正极，选自上述所述电极、上述所述制备方法制备的电极中的任一种；和/或，所述负极，选自上述所述电极、上述所述制备方法制备的电极中的任一种。
例如，一种锂离子电容器，包括：正极，选自上述所述电极、上述所述制备方法制备的电极中的任一种；电解液；以及负极，为上述所述电极、上述所述制备方法制备的电极中的任一种。
本申请能产生的有益效果包括：
本发明实施例的氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法的有益效果是：
(1)本发明以碱性工业木质素为碳源、尿素为氮源，在没有外加活化剂的条件下，通过一步法合成氮掺杂木质素基层次孔炭。
(2)以有机溶剂和去离子水为媒介，使碱性木质素粉末在60～100℃转化为熔融状，确保碱性木质素与尿素混合均匀，通过木质素自活化及与尿素的协同作用，碱性木质素与尿素混合物在高温下发生反应后，得到氮元素均匀地分布在碳材料中的氮掺杂层次孔碳。
(3)本发明制备的氮掺杂木质素基炭材料作锂离子电容器正极时，在半电池测试中，当电流密度为0.1A/g时，氮掺杂木质素基层次孔炭材料的比容量为115mAh/g，当电流密度为20A/g时，碳材料的比容量为49mAh/g，倍率性能良好。
(4)本发明制备的氮掺杂木质素基炭材料，作锂离子电容器负极时，在半电池测试中，当电流密度为0.1A/g时，氮掺杂木质素基层次孔炭材料的比容量为880mAh/g，当电流密度为10A/g时，碳材料的比容量为260mAh/g，倍率性能良好。
(5)本发明以天然可再生、储量丰富的木质素为碳源，尿素为氮源，原料来源丰富，价格低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1中制备的氮掺杂木质素基层次孔炭的扫描电镜图；
图2为本发明实施例3中制备的氮掺杂木质素基层次孔炭的扫描电镜图；
图3为本发明实施例2中制备的氮掺杂木质素基层次孔炭的孔径分布图；
图4为本发明实施例2中制备的氮掺杂木质素基层次孔炭作为锂离子电容器正极材料的倍率性能；
图5为本发明实施例2中制备的氮掺杂木质素基层次孔炭作为锂离子电容器负极材料的倍率性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本申请实施例1～3所用碱性木质素为商业购买。
实施例1
本实施例采用碱性木质素为碳源，尿素为氮源。称取5g碱性木质素与5g尿素混合均匀，之后加入2ml乙醇、0.5ml去离子水后继续混合均匀，将混合物放入70℃的鼓风干燥箱加热4小时后取出并冷却至室温。将冷却后的混合物放入管式炉中，通入氩气，以4℃/min升温至400℃后恒温1小时，继续以5℃/min升温至700℃后恒温1小时，待冷却到室温后，将初产物研磨成粉末，然后用2.0M的盐酸对产物进行洗涤，再用去离子水洗涤至中性，在100℃烘箱中烘干10小时，得到产物，记为产物1。
将产物1与科琴黑、聚四氟乙烯溶液按质量比80：10：10混合均匀后，使用辊压机将混合物辊压成厚度为80μm的极片，利用冲孔机将其切割成直径为12mm的圆形电极片并120℃烘干10小时，之后将其压到涂碳铝箔上。电极片中产物的负载量为1.5mg/cm2。
锂离子电容器半电池1以该圆形电极片为正极，以金属锂为对负极，电解液为1mol/L的LiPF6溶液，溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯按体积比1:1:1混合而成，隔膜为Celgard2400。
实施例2
本实施例采用碱性木质素为碳源，尿素为氮源。称取8g碱性木质素与8g尿素混合均匀，之后加入5ml乙醇、0.2ml去离子水后继续混合均匀，将混合物放入65℃的鼓风干燥箱加热4小时后取出并冷却至室温。将冷却后的混合物放入管式炉中，通入氮气，以2℃/min升温至400℃后恒温1小时，继续以3℃/min升温至800℃后恒温1小时，待冷却到室温后，将初产物研磨成粉末，然后用2.0M的盐酸对产物进行洗涤，再用去离子水洗涤至中性，在120℃烘箱中烘干8小时，得到产物，记为产物2。
将产物2与科琴黑、聚四氟乙烯溶液按质量比80：10：10混合均匀后，使用辊压机将混合物辊压成厚度为80μm的极片，利用冲孔机将其切割成直径为12mm的圆形电极片并120℃烘干10小时，之后将其压到涂碳铝箔上。电极片中产物的负载量为1.6mg/cm2。
锂离子电容器半电池2以该圆形电极片为正极，以金属锂为负极，电解液为1mol/L的LiPF6溶液，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯按照体积比1:1:1混合而成，隔膜为Celgard2400。
实施例3
本实施例采用碱性木质素为碳源，尿素为氮源。称取6g的碱性木质素与6g尿素混合均匀，之后加入2ml乙醇、0.5ml去离子水后继续混合均匀，将混合物放入70℃的鼓风干燥箱加热4小时后取出并冷却至室温。将冷却后的混合物放入管式炉中，通入氩气，以2℃/min升温至400℃后恒温1小时，继续以5℃/min升温至900℃后恒温3小时，待冷却到室温后，将初产物研磨成粉末，然后用1.0M的盐酸对产物进行洗涤，再用去离子水洗涤至中性，在100℃烘箱中烘干10小时，得到产物，记为产物3。
将产物3与科琴黑、聚四氟乙烯溶液按质量比80：10：10混合均匀后，使用辊压机将混合物辊压成厚度为80μm的极片，利用冲孔机将其切割成直径为12mm的圆形电极片并120℃烘干10小时，之后将其压到涂碳铝箔上。电极片中产物的负载量为1.8mg/cm2。
锂离子电容器半电池3以该圆形电极片为正极，以金属锂为负极，电解液为1mol/L的LiPF6溶液，溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯按体积比1:1:1混合而成，隔膜为Celgard2400。
实施例4
该实施例中，氮掺杂木质素基层次孔炭的制备方法与实施例2类似，此处不再赘述。
将产物2与科琴黑、聚偏氟乙烯按质量比80：10：10混合均匀后，涂布到铜箔上，在100℃烘干10小时后，利用冲孔机将其切割成直径为12mm的圆形电极片。电极片中产物的负载量为1.0mg/cm2。
锂离子电容器半电池4以该圆形电极片为正极，以金属锂为负极，电解液为1mol/L的LiPF6溶液，溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯按体积比1:1:1混合而成，隔膜为Celgard2400。
实施例5氮掺杂木质素基层次孔炭的结构表征
1)比表面积测试：分别对产物1至3进行比表面积测试，测试结果表明，产物1至3的比表面积为1200～2200m2/g；
以产物2为典型代表，其比表面积为2022.0m2/g。
2)孔容测试：分别对产物1至3进行孔容测试，测试结果表明，产物1至3的孔容为1～2cm3/g；
以产物2为典型代表，其孔容为1.748cm3/g。
3)孔径测试：分别对产物1至3进行孔径分布测试，测试结果表明，产物中均含有微孔和介孔；
以产物2为典型代表，其孔径分布如图3所示，由图3可以看出：产物2中含有微孔和介孔。
4)形貌测试
分别对产物1和产物3进行形貌测试，产物1的扫描电镜图如图1所示，由图1可以看出所得产物为多孔结构；
产物3的扫描电镜图如图2所示，由图2可以看出所得产物为多孔结构。
实施例5氮掺杂木质素基层次孔炭的元素测试
分别对产物1至3进行氮含量测试(测试仪器为X射线光电子能谱)，测试结果表明，产物1至3的氮含量为5～15at.％；
以产物2为典型代表，其氮含量为11.26at.％。
实施例6对各实施例提供的锂离子电容器半电池进行性能测试
以氮掺杂木质素基层次孔炭作为锂离子电容器正极材料时，将半电池静置12小时后，在蓝电电池测试系统CT2001A进行电化学性能测试。电压区间为2.0～4.5V，电流密度为0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0和20.0A/g。以锂离子电容器半电池2为典型代表，如附图4所示，锂离子电容器半电池在电流密度为0.1A/g时的比容量为112mAh/g，电流密度增大至20.0A/g时的比容量为54mAh/g。
实施例7对各实施例提供的锂离子电容器半电池进行性能测试
以氮掺杂木质素基层次孔炭作为锂离子电容器负极材料时，将半电池静置12小时后，在蓝电电池测试系统CT2001A进行电化学性能测试。电压区间为0.02～3.0V，电流密度为0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0和10.0A/g。以锂离子电容器半电池4为典型代表，如附图5所示，锂离子电容器半电池在电流密度为0.1A/g时的比容量为880mAh/g，电流密度增大至10.0A/g时的比容量为260mAh/g。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种氮掺杂木质素基层次孔炭，其特征在于，所述氮掺杂木质素基层次孔炭为黑色粉末，比表面积为1200～2200m2/g，具有层次孔结构，孔容为1～2cm3/g，氮含量为5～15at.％。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂木质素基层次孔炭，其特征在于，所述层次孔包括微孔、介孔和大孔。
3.一种氮掺杂木质素基层次孔炭的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
1)将碱性木质素、尿素、溶剂的混合物在60～100℃下加热，得到碱性木质素/尿素的混合物；
2)将所述碱性木质素/尿素的混合物进行反应，得到氮掺杂木质素基层次孔炭。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碱性木质素中含有杂质，所述杂质为无机盐；
优选地，所述杂质包括氯化钠、氯化钾、碳酸钠、硫酸钠中的至少一种；
优选地，所述溶剂包括有机溶剂和水；
优选地，所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮中的至少一种；
优选地，所述有机溶剂与原料的质量比为0～0.5：1，所述原料为所述碱性木质素和尿素；
优选地，所述水与所述原料的质量比为0～0.2：1；
优选地，所述碱性木质素和尿素的质量比为1：0.02～2；
优选地，步骤2)所述反应的具体条件包括：
在非活性气氛下进行；
先在300～500℃反应0.5～6h，然后在600～1100℃反应0.5～8h；
优选地，以1～5℃/min的升温速率升温至300～500℃，以1～10℃/min的升温速率升温至600～1100℃。
5.一种负极材料，其特征在于，其活性物质为权利要求1或2所述的氮掺杂木质素基层次孔炭、权利要求3或4所述的制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种。
6.一种正极材料，其特征在于，其活性物质为权利要求1或2所述的氮掺杂木质素基层次孔炭、权利要求3或4所述的制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种。
7.一种电极，其特征在于，包括：
活性物质；
导电剂；
粘结剂；以及
集流体；
其中，所述活性物质为权利要求1或2所述的氮掺杂木质素基层次孔炭、权利要求3或4所述的制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种。
8.一种电极的制备方法，其特征在于，包括：
将含有活性物质、导电剂、粘结剂的浆料复合到集流体上，得到所述电极；
其中，所述活性物质为权利要求1或2所述的氮掺杂木质素基层次孔炭、权利要求3或4所述的制备方法制备得到的氮掺杂木质素基层次孔炭中的至少一种。
9.一种半电池，其特征在于，包括：
正极，为权利要求7所述电极、权利要求8所述制备方法制备的电极中的至少一种；
电解液；以及
负极，金属锂片。
10.一种锂离子电容器，其特征在于，包括：正极、电解液和负极；
所述正极，选自权利要求7所述电极、权利要求8所述制备方法制备的电极中的任一种；和/或，所述负极，选自权利要求7所述电极、权利要求8所述制备方法制备的电极中的任一种。
CN202011162573.6A 2020-10-27 2020-10-27 一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用 Active CN114477169B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011162573.6A CN114477169B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011162573.6A CN114477169B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114477169A true CN114477169A (zh) 2022-05-13
CN114477169B CN114477169B (zh) 2023-11-24

Family

ID=81470414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011162573.6A Active CN114477169B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114477169B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140291587A1 (en) * 2011-09-07 2014-10-02 The Governors Of The University Of Alberta N-Doped Carbon Materials
CN105977491A (zh) * 2016-06-08 2016-09-28 北京化工大学 一种氮掺杂分级多孔炭电极材料及其应用
CN107500291A (zh) * 2017-07-10 2017-12-22 吉林大学 一种木质素基酚醛树脂电容炭的制备方法
US20180015440A1 (en) * 2016-07-12 2018-01-18 Farad Power, Inc., Method of making hetero-atom doped activated carbon
CN108249419A (zh) * 2018-02-01 2018-07-06 西南交通大学 一种多元掺杂层次孔碳材料及其制备方法
CN108455597A (zh) * 2018-05-12 2018-08-28 中国科学院新疆理化技术研究所 一种以棉籽壳为原料制备氮掺杂多孔碳的方法及应用
CN109319778A (zh) * 2018-09-25 2019-02-12 桂林电子科技大学 一种氮掺杂松子壳基多孔碳材料的制备方法及应用
KR101966229B1 (ko) * 2017-11-06 2019-04-05 한국에너지기술연구원 바이오매스 유래 질소 도핑된 계층적 다공성 탄소의 제조방법
CN109767927A (zh) * 2019-01-17 2019-05-17 中南大学 一种超级电容器用高性能氮掺杂生物质多孔碳的制备方法
CN110015660A (zh) * 2018-11-19 2019-07-16 华南理工大学 一种银掺杂木质素多孔碳纳米片及其制备方法和在超级电容器电极材料中的应用
CN111285688A (zh) * 2020-02-10 2020-06-16 北方民族大学 生物质碳膜及其制备方法和应用
CN111362249A (zh) * 2020-02-24 2020-07-03 中国科学院深圳先进技术研究院 二维多孔氮掺杂碳及其制备方法和在锂离子电池中的应用

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140291587A1 (en) * 2011-09-07 2014-10-02 The Governors Of The University Of Alberta N-Doped Carbon Materials
CN105977491A (zh) * 2016-06-08 2016-09-28 北京化工大学 一种氮掺杂分级多孔炭电极材料及其应用
US20180015440A1 (en) * 2016-07-12 2018-01-18 Farad Power, Inc., Method of making hetero-atom doped activated carbon
CN107500291A (zh) * 2017-07-10 2017-12-22 吉林大学 一种木质素基酚醛树脂电容炭的制备方法
KR101966229B1 (ko) * 2017-11-06 2019-04-05 한국에너지기술연구원 바이오매스 유래 질소 도핑된 계층적 다공성 탄소의 제조방법
CN108249419A (zh) * 2018-02-01 2018-07-06 西南交通大学 一种多元掺杂层次孔碳材料及其制备方法
CN108455597A (zh) * 2018-05-12 2018-08-28 中国科学院新疆理化技术研究所 一种以棉籽壳为原料制备氮掺杂多孔碳的方法及应用
CN109319778A (zh) * 2018-09-25 2019-02-12 桂林电子科技大学 一种氮掺杂松子壳基多孔碳材料的制备方法及应用
CN110015660A (zh) * 2018-11-19 2019-07-16 华南理工大学 一种银掺杂木质素多孔碳纳米片及其制备方法和在超级电容器电极材料中的应用
CN109767927A (zh) * 2019-01-17 2019-05-17 中南大学 一种超级电容器用高性能氮掺杂生物质多孔碳的制备方法
CN111285688A (zh) * 2020-02-10 2020-06-16 北方民族大学 生物质碳膜及其制备方法和应用
CN111362249A (zh) * 2020-02-24 2020-07-03 中国科学院深圳先进技术研究院 二维多孔氮掺杂碳及其制备方法和在锂离子电池中的应用

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SUHAS, P.J.M. CARROTT ET.AL: "Using alkali metals to control reactivity and porosity during physical activation of demineralised kraft lignin", 《CARBON》, vol. 47, pages 1012 - 1017, XP025940736, DOI: 10.1016/j.carbon.2008.12.001 *
XIANLEI ZHANG ET.AL: "Nitrogen- and sulfur-doped carbon nanoplatelets via thermal annealing of alkaline lignin with urea as efficient electrocatalysts for oxygen reduction reaction", 《RSC ADVANCES》, vol. 6, pages 104183 - 104192 *
谢亚桥: "新型模板法绿色制备生物质基多孔炭及其超电性能", 《工程科技I辑》, no. 11, pages 015 - 30 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114477169B (zh) 2023-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Multiple functional biomass‐derived activated carbon materials for aqueous supercapacitors, lithium‐ion capacitors and lithium‐sulfur batteries
CN107244664B (zh) 类石墨烯结构碳电极材料的制备方法及应用
Fu et al. One-step solid-state pyrolysis of bio-wastes to synthesize multi-hierarchical porous carbon for ultra-long life supercapacitors
CN112499617B (zh) 一种n和s共掺杂的空心碳纳米立方体的制备方法及钾离子电池
CN112265990A (zh) 一种糠醛渣多孔活性炭材料的制备方法及其应用
Chen et al. Membrane and electrode engineering of high-performance lithium-sulfur batteries modified by stereotaxically-constructed graphene
CN112357921B (zh) 一种分级多孔碳及其制备方法与用途
CN112086642B (zh) 一种石墨化碳包覆的高比表面积多孔碳球及其制备方法和应用
CN111268677A (zh) 一种新型锂离子电池负极材料碳化葡萄籽的制备方法及应用
Liu et al. Modulating pore nanostructure coupled with N/O doping towards competitive coal tar pitch-based carbon cathode for aqueous Zn-ion storage
Sun et al. Preparation of gelatin-derived nitrogen-doped large pore volume porous carbons as sulfur hosts for lithium-sulfur batteries
CN112234206A (zh) 利用抗生素菌渣制备薄层石墨烯/过渡金属氟化物复合正极活性材料的方法
CN114695861B (zh) 硫和氮共掺杂多孔碳材料的制备方法、制得的碳材料及其应用
Lan et al. Nano-MnS@ N doped lignite derived carbon composites as superior anode material for sodium-ion batteries
Hao et al. S, O dual-doped porous carbon derived from activation of waste papers as electrodes for high performance lithium ion capacitors
CN115036516A (zh) 一种钴、氮共掺杂的中空管状多孔碳复合材料及其制备方法与应用
Wang et al. A novel three-dimensional hierarchical porous lead-carbon composite prepared from corn stover for high-performance lead-carbon batteries
CN110504450B (zh) 一种杂原子掺杂的多级孔碳材料的制备方法及在锂电池负极浆料中的应用
CN116161698A (zh) 一种锌基电池正极材料及其制备方法和使用方法
CN111099574A (zh) 用于锂离子电池负极的阶层多孔炭气凝胶的制备方法
US20230234851A1 (en) Boron-sulfur-codoped porous carbon material and preparation method and use thereof
CN114477169B (zh) 一种氮掺杂木质素基层次孔炭及其制备方法与应用
Quan et al. Investigation of pyrolysed anthracite as an anode material for sodium ion batteries
CN113072056A (zh) 一种具有高比表面积的金属有机框架衍生碳的制备方法
CN112607735A (zh) 氮/硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法与用途

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