[發明專利]一種氮摻雜多孔炭、制備方法及其作為超級電容器電極材料的應用

有效

• 申請號: 201710009138.1
• 申請日: 2017-01-06
• 公開（公告）號: CN106629724B
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 畢紅;張翔
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348;C01B32/324;C01B32/378;H01G11/32;H01G11/26;H01G11/86
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 孫永剛

本發明公開了一種氮摻雜多孔炭、制備方法及其作為超級電容器電極的應用，屬于能源材料及應用技術領域。本發明以天然廢棄產物花生殼為原料，經球磨、篩分、高溫活化和洗滌后制得氮摻雜多孔炭。該法制得的氮摻雜多孔炭具有微孔和中孔的分級孔隙，孔徑主要分布在2～5納米，比表面積為1000～1200平方米/克，含氮質量比為8～10％，質量比電容為290～310法拉第/克，制得的氮摻雜多孔炭基超級電容器的質量能量密度為40～43瓦時/千克，且具有優異的循環穩定性，因此可以較好的應用于超級電容器電極領域。

技術領域

本發明屬于能源材料及應用技術領域，具體涉及一種氮摻雜多孔炭、制備方法及其作為超級電容器電極的應用。

背景技術

多孔炭因具有特殊的多孔結構、高比表面積、化學結構穩定、良好的電容性能以及低廉的價格等特點而常被用作超級電容器電極材料，但是其導電率低、能量密度低等因素嚴重限制了其實際商業化應用。近年來，氮摻雜的多孔炭因具有較傳統多孔炭更加優異的電化學性能而引起了廣泛關注。

制備多孔炭的原料和方法是多樣的，例如申請號為201510004277.6的專利公開了一種多孔炭的制備方法，采用聚羧酸和二元胺為原料經聚合、熱處理后制得多孔炭，其原料的價格較為高昂，不適宜規模化生產，并且制得的多孔炭的比表面積為300～450平方米/克，比電容為189法拉第/克，其電化學性能也并非出眾。例如申請號為201310301022.7的專利公開一種氮摻雜多孔炭材料、制備方法及其用途，以聚丙烯醇二氨基醚等含氮的高分子為模板和氮源，葡萄糖等生物質作為碳源，經水熱碳化處理得到氮摻雜多孔炭，其比表面積為200～1000平方米/克，并非優選廉價易得的原料，因此不適宜規模化生產。例如申請號為201310190396.6的專利公開一種氮摻雜多孔炭及其制備方法，先將氮源與甲醛反應生成預聚體，再與模板、碳源共混，經交聯、固化、碳化后得到氮摻雜多孔炭，該制備工藝較為復雜，不適宜規模化工業生產。

此外，在制備多孔炭的眾多原料中，可再生的天然產物因來源簡單、價格便宜以及合成簡便等優勢成為其大規模工業化生產并應于超級電容器的首選原料。例如申請號為201510156147.4的專利公開一種蜂窩狀淀粉基多孔炭材料的制備方法，采用天然產物馬鈴薯、玉米等淀粉為原料制得比表面積為380～478平方米/克的蜂窩狀多孔炭，其比表面積明顯低于其它多孔炭，不利于雙電層電容的形成。文獻Liang Q,Ye L,Huang Z H,et al.Ahoneycomb-like porous carbon derived from pomelo peel for use in high-performance supercapacitors[J].Nanoscale,2014,6(22):13831-13837.以天然廢棄物柚子皮為原料制得蜂窩狀的多孔炭，其比電容為342法拉第/克，最大能量密度為9.4瓦時/千克，其較低的能量密度也限制了該多孔炭的試劑應用價值。

隨著全球糧食逐年增收，2016/17年度僅全球花生產量就預計突破4000多萬噸(來源于：中國花生信息網，2016年9月30日)。巨大的花生產量之下，必然會產生大量的天然廢棄物——花生殼，如何有效地對其進行再利用一直以來都是一個亟待解決的難題。花生殼作為一種廉價易得的天然產物，主要含有粗纖維、粗蛋白和粗脂肪等物質，是一種較為理想的多孔炭原料。

發明內容

本發明的目的是提供一種氮摻雜多孔炭、制備方法及其作為超級電容器電極的應用，該氮摻雜多孔炭具有高比表面積、高氮摻雜量、分級孔隙結構以及優異的電化學性能。

本發明提供的一種氮摻雜多孔炭、制備方法及其作為超級電容器電極的應用，采用花生殼作為多孔炭原料，其氮元素主要以吡啶氮、吡咯氮、石墨化氮和氮氧鍵的形式存在于氮摻雜多孔炭中。