[發明專利]一種氮摻雜多孔碳材料的制備方法

無效

• 申請號: 200810036883.6
• 申請日: 2008-04-30
• 公開（公告）號: CN101306807A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: 高秋明;姜金華
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;C01B31/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種氮摻雜多孔碳材料的制備方法，屬于無機納米材料及電化學領域。

背景技術

超級電容器也叫電化學電容器，是介于蓄電池和傳統靜電電容器之間的一種新型儲能元件，具有比容量高、功率大、循環性能好、壽命長、工作溫限寬等特點。超級電容器比電池具有更高的功率密度，比傳統電容器具有更大的能量密度。近年來隨著電子、電氣設備的日趨小型化以及電動汽車工業的不斷發展，作為后備電源和記憶候補裝置的超級電容器日益引起了人們的廣泛關注。

電極材料是超級電容器研究的關鍵，其中研究熱點之一是碳質電極材料。碳質材料中研究最早、最廣泛的是活性碳。從理論上來說，碳材料的比表面積越高，相應的比容量也應該越大。雖然活性碳具有非常巨大的比表面，但是材料的電容量卻達不到預期的效果。這是因為在活性碳中孔徑大小不均勻，微孔所占比重大，其過小的孔徑阻礙了電解液對碳表面的浸潤和電解質在孔道中的傳遞。研究表明，對于理想的碳質電極材料，一方面需要為電解液中離子提供大量吸附位置的微孔，另外還需要適合離子快速傳遞所必需的介孔。

介孔碳、微孔碳、碳纖維、碳納米管等也都呈現一定的電化學雙電層電容。然而，進一步提高這些材料的比電容量，以及維持材料在高功率密度下的高能量密度，都是這個領域發展非常關鍵的問題。提高材料的比表面積，調控材料的孔結構，以及修飾材料的表面狀態和電荷狀態，都對碳材料的電化學性能有重要的影響。

發明內容

本發明的目的是為了避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種氮摻雜多孔碳材料的制備方法。本發明通過引入一種有序介孔的碳氮材料，然后通過高溫氫氧化鉀活化法，控制氫氧化鉀活化劑與有序介孔碳氮材料的質量比，得到一系列的高度納米孔含氮碳結構材料。電化學性能測試表明，本發明所得到的納米孔含氮碳材料展示了非常優異的雙電層電化學電容特性。

具體的制備步驟如下：

(1)將介孔氧化硅粉體(如SBA-15、KIT-6、MCM-41等)與乙二胺混合，以四氯化碳為溶劑，充分攪拌，使得乙二胺充分浸入到介孔氧化硅粉體的孔道中，然后在60～100℃下回流處理2～10小時冷卻；

(2)將步驟(1)得到的產物在惰性氣氛下碳化；

優選的碳化溫度為400～800℃，保溫時間2～10小時；

(3)將步驟(2)得到的產物加入到質量比為1～15％的氫氟酸溶液中，攪拌、過濾分離、多次洗滌、干燥；

(4)將步驟(3)得到的產物與氫氧化鉀按質量比為1∶2～7在水溶液中混合均勻，干燥后樣品在惰性氣氛下升溫至700～800℃，恒溫2～10小時后，自然冷卻。

優選的升溫速率為2～20℃/min。

本發明所得的多孔碳材料的碳骨架中含有一定量的氮元素，材料比表面積高、孔體積大、特別是微孔含量高且分布較均勻。

在得到的多孔碳氮材料中加入質量百分比為10％的導電石墨和10％的粘結劑聚四氟乙烯，然后用滴管滴加1～5滴1-甲基-2-吡喏烷酮，充分研磨，再將混勻的電極材料壓制在泡沫鎳上，以鎳線為導線制成超級電容器用電極材料。然后將制備好的電極材料接入到電化學工作站中，采用循環伏安法測試其電化學電容性能。測試結果表明，本發明所得的多孔碳氮電極材料的電化學電容量顯著增加，即使在高掃描速率下電容量仍然得到很好的保持。當選用6mol/L?KOH作為電化學電解液，在2mV/s電熱掃描速率下，電極材料比電容量達到328F/g，當掃描速率提高到50mV/s時，比電容量仍達到248F/g。

與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：

(1)本發明前期采用有序介孔氧化硅制備有序多孔碳氮材料，使得多孔碳氮電極材料具有開放的孔道結構和大量的介孔，這有利于電解液離子的快速傳遞，是取得優異電化學電容性能的前提。同時，這是一種簡單有效的引入氮元素的手段。

(2)采用KOH后處理的方法，可以有效提高多孔碳氮材料的比表面積、微孔占有率和在電解液中的浸潤性，可以達到改善并提高其電化學電容性能的目的。

(3)本發明方法獲得的電極材料其比電容量明顯增加，并且其穩定性得到很好的保持。

附圖說明

圖1為多孔碳氮材料的透射電鏡(TEM)照片，有序介孔碳氮化物與氫氧化鉀質量比1∶3，750℃恒溫1小時后處理。

圖2為多孔碳氮材料在6mol/L?KOH電解質下不同電勢掃描速率下(橫坐標)的電化學比電容(縱坐標)變化。

圖3為多孔碳氮材料的透射電鏡(TEM)照片，有序介孔碳氮化物與氫氧化鉀質量比1∶5，750℃恒溫1小時后處理。