[發(fā)明專利]一種以有機物為原料制備高表面、氮氧共摻雜碳材料的方法及在超級電容器的應用

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• 申請日: 2016-06-07
• 公開（公告）號: CN107481864A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設計）人: 王煥磊;毛楠
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明屬于化學能源材料領域，提供了一種以有機物為原料制備氮氧共摻雜、具有超高比表面積多孔碳材料的方法，以及作為超級電容器電極在堿性/酸性水體系中的應用。

背景技術

由于超級電容器具有高能量密度、快速充放電速率及優(yōu)異的循環(huán)性能等優(yōu)勢，成為了最有潛力的能量儲存設備之一。根據儲能機制可將超級電容器分為贗電容器和雙電層電容器。贗電容器是通過在電極表面發(fā)生氧化還原反應來儲存能量的。但是由于較窄的電壓窗口和較差的循環(huán)壽命，贗電容器在實際應用中受到限制。而雙電層電容器的儲能機制為在電極/電解液界面有離子的吸附/脫附，因此適合電解液離子大小的孔結構和較大的比表面積是影響雙電層電容器比容量的關鍵因素。

多孔碳材料由于具有超大比表面積、高導電性、優(yōu)異的孔徑分布和低成本等特點，成為了雙電極電容器最有潛力的電極材料之一。化學活化法，特別是KOH活化，是一種典型有效的，可以得到良好孔結構碳材料的方法。通過將含碳物質與KOH混合后于高溫下碳化，發(fā)生的一系列反應可使得到的碳化物具有層次豐富的孔結構。此外，材料表面的官能團或摻雜原子，如氮、氧、硫等可以提高電極的導電性和表面潤濕性，并能提高碳電極材料的贗電容性能。

在本發(fā)明中，我們使用了一種富含氮的有機物2-苯并咪唑基乙腈(分子式為C₉H₇N₃)作為前驅體，將其通過KOH 活化的方法得到的碳材料，不僅含有豐富的氮氧官能團，而且具有超高的比表面積和層次孔結構，這些優(yōu)勢為獲得優(yōu)異的電化學性能提供了良好的基礎。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為了得到具有高比表面、高容量和優(yōu)異倍率性能的氮氧共摻雜多孔碳材料，且其作為水體系超級電容器電極材料時具有優(yōu)異的電化學性能，且整個制備工藝簡單可控，成本相對低廉。

為了實現本發(fā)明的目的，所采用的技術方案是：將一種名為2-苯并咪唑基乙腈的有機分子與活化劑以不同的比例混合后在瑪瑙研缽中快速充分研磨均勻。將混合物放入管式爐中，在惰性氣氛下以設定的速度升溫至碳化溫度，并在此溫度下保溫，冷卻后得到樣品。將碳化產物用稀鹽酸反復洗滌，再用去離子水充分清洗去除雜質，干燥后得到多孔碳材料。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現在：

(1) 原料2-苯并咪唑基乙腈中含有豐富的氮元素，且在KOH/NaOH活化過程中摻入了少量氧元素，無需額外的元素摻雜，制備方法簡單，且氮氧原子的引入有利于提高碳材料的電化學性能。

(2) 由于KOH/NaOH活化劑的模板誘導作用，使制備得到的碳材料具有理想的類石墨烯片層結構和層次豐富的孔結構，從而得到超高的比表面積，這有利于電解液離子的滲透和傳輸，是得到優(yōu)異電化學性能的有效保障。

(3) 本發(fā)明方法制得的電極碳材料用于超級電容器，具有極大的比容量、穩(wěn)定的循環(huán)性能和優(yōu)異的倍率性能等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為實施例3氮氧共摻雜多孔碳材料ABA-4掃描電鏡(SEM)圖像。

圖2為實施例3氮氧共摻雜多孔碳材料ABA-4透射電鏡(TEM)圖像。

圖3為實施例1~3氮氧共摻雜多孔碳材料在10 mV s^-1掃描速度下的循環(huán)伏安曲線。

圖4為實施例1~3氮氧共摻雜多孔碳材料在1 A g^-1電流密度下的恒流充放電曲線。

圖5為實施例1~3氮氧共摻雜多孔碳材料比容量隨電流密度的變化曲線。

具體實施方式

現參考以下具體實施例對本發(fā)明做出說明，但并非僅限于實施例。

實施例1

稱量1g的2-苯并咪唑基乙腈與2g KOH固體混合后在瑪瑙研缽中快速充分研磨均勻。將混合物放入管式爐中，在氮氣氣氛下以3℃ min^-1的速度升溫至800℃，并在此溫度下保溫1h，自然冷卻后將產物取出。將產物在室溫下用2M的鹽酸清洗12h，再用去離子水充分清洗去除雜質，于80℃下干燥12h后得到多孔碳材料ABA-2。

實施例2

稱量1g的2-苯并咪唑基乙腈與3g KOH固體混合后在瑪瑙研缽中快速充分研磨均勻。將混合物放入管式爐中，在氮氣氣氛下以3℃ min^-1的速度升溫至800℃，并在此溫度下保溫1h，自然冷卻后將產物取出。將產物在室溫下用2M的鹽酸清洗12h，再用去離子水充分清洗去除雜質，于80℃下干燥12h后得到多孔碳材料ABA-3。