[發明專利]一種三維氮摻雜膠囊狀碳紙電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710019232.5
• 申請日: 2017-01-11
• 公開（公告）號: CN106653401B
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 韓生;陳紅艷;陳達明;常興;劉金寶;藺華林;劉平;趙志成;周嘉偉;許廣文
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/32;H01G11/26
• 代理公司: 上海精晟知識產權代理有限公司 31253
• 代理人: 楊軍

本發明公開了一種三維氮摻雜膠囊狀碳紙電極材料及其制備方法。本發明方法首先以硝酸錳和硝酸鋁為原料，尿素為堿源，一定溫度下攪拌回流得到Mg?Al層狀金屬氫氧化物Mg?Al LDH；冷卻后加入一定量多巴胺常溫攪拌一定時間，得到聚多巴胺包覆的PL復合材料。接著進行一次刻蝕?煅燒?二次刻蝕工藝得到三維氮摻雜膠囊狀碳紙電極材料HCF2。本發明制備工藝和所需設備簡單，原料來源豐富且反應溫度較低；得到的三維氮摻雜膠囊狀碳紙電極材料HCF2不僅熱穩定性好、結晶程度高，能量密度和功率密度高，而且形貌可控性強，是理想的能源材料之一。

技術領域

本發明屬于材料學技術領域，具體來說，涉及一種三維氮摻雜膠囊狀碳紙電極材料及其制備方法。

背景技術

人類社會發展的進步，能源需求的增大，導致傳統的化石能源出現供求危機和環境的惡化，引發的酸雨、溫室氣體等環保問題日益突出，迫切需要人們不斷尋求新的清潔能源。超級電容器和鋰電的出現，順應了人們對新型清潔可再生能源(如太陽能、風能、生物質能、地熱能和潮汐能等)的需求。鋰電循環壽命長、充放電時間短、能量密度、功率密度高和工作溫度的范圍較寬、可靠性好等優異的性能和廣泛的應用性而日益受到重視，已逐漸替代傳統鎳氫電池、鎘鎳電池和鉛酸蓄電池，被廣泛應用于當今信息時代的各種電子設備，如移動電話、數碼相機、攝像機和數字處理機等。近年來，鋰離子電池在新一代混合動力汽車(hybrid electrical vehicle，HEV)和純電動汽車(electrical vehicle，HEV)上的應用也日益受到關注。

在超級電容器中，雙電層電容器在大功率設備中占據著重要的位置。其中，具有膠囊裝結構的碳材料被視為最具有應用前景的雙電層電極材料。中空結構的碳材料具有較高的比表面積、短的電子傳輸路徑和良好的電解液潤濕性，從而具有優異的電化學性能。氮摻雜碳材料可以在一定程度上提高電子傳導性、表面極性和活性位點，通過提高一定的贗電容來提高電極材料的電化學性能。而傳統的碳材料制備多以聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等毒性較大的聚合物為碳前軀體，對環境有一定的負面影響。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的在于提供膠囊狀二維碳紙組成的三維碳電極材料及其制備方法。該方法能解決現有技術中的氮含量不好控制及有毒碳前軀體的使用問題，同時不會對環境造成危害。

本發明方法首先以硝酸鎂和硝酸鋁為原料，尿素為堿源，一定溫度下攪拌回流得到Mg-Al LDH；冷卻后加入一定量多巴胺常溫攪拌一定時間，得到聚多巴胺包覆的PL復合材料。接著進行抽濾刻蝕-煅燒-二次刻蝕工藝得到最終產物HCF2。

本發明具體技術方案介紹如下。

一種三維氮摻雜膠囊狀碳紙電極材料的制備方法，具體步驟如下：

(1)制備PDA/MgAl-LDH復合材料

首先將硝酸鎂、硝酸鋁、尿素和去離子水混合均勻，回流，自然冷卻至室溫，得到混合溶液；其中：將硝酸鎂、硝酸鋁和尿素的質量比為(1-4):19:100；

接著向混合溶液中加入多巴胺，常溫攪拌，之后洗滌、冷凍干燥得到PDA/MgAl-LDH復合材料；其中多巴胺與硝酸鎂的質量比為1：10-1：20；

(2)制備三維氮摻雜膠囊狀碳紙電極材料

首先取PDA/MgAl-LDH復合材料于去離子水中超聲分散，再用0.8～1.2mol/L鹽酸進行一次刻蝕，抽濾后干燥；接著將干燥產物煅燒，煅燒后產物用4.8～5.2mol/L鹽酸進行二次刻蝕，刻蝕結束后，洗滌、干燥，得到三維氮摻雜膠囊狀碳紙電極材料。

上述步驟(1)中，回流攪拌時間為10～14h。常溫攪拌時間為18-26h。冷凍干燥時間為40～50h。

上述步驟(2)中，煅燒溫度為400-800℃。