[發(fā)明專利]一種多原子共摻雜的多孔炭納米片電極材料及其制備方法和應(yīng)用在審
| 申請?zhí)枺?/td> | 201710556920.5 | 申請日： | 2017-07-10 |
| 公開（公告）號： | CN107331525A | 公開（公告）日： | 2017-11-07 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 王峰;劉夢月;牛津;竇美玲;宋夜 | 申請（專利權(quán)）人： | 北京化工大學(xué) |
| 主分類號： | H01G11/24 | 分類號： | H01G11/24;H01G11/44;H01G11/38;H01G11/34;H01G11/86 |
| 代理公司： | 北京五月天專利商標(biāo)代理有限公司11294 | 代理人： | 王天桂 |
| 地址： | 100029 *** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 原子 摻雜 多孔 納米 電極 材料 及其 制備 方法 應(yīng)用 | ||
本發(fā)明涉及一種多原子共摻雜的多孔炭納米片電極材料及其制備方法和應(yīng)用，以富含蛋白質(zhì)的動物骨、皮、殼等廢棄物為前驅(qū)體，用堿溶液提取其中蛋白質(zhì)后將得到的混合溶液干燥，再在500~1200°C下炭化，最后水洗得到該電極材料。該材料具有納米片狀結(jié)構(gòu)，同時具有氮、氧、硫共摻雜等特點(diǎn)；用作超級電容器電極材料時，兼具高的體積比電容和質(zhì)量比電容，良好的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性能。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電極材料領(lǐng)域，具體涉及到一種多原子共摻雜的多孔炭納米片電極材料及其制備方法和其在超級電容器中的應(yīng)用。
背景技術(shù)
隨著化石能源的枯竭及環(huán)境污染日益惡化，開發(fā)一種綠色可持續(xù)的新型儲能器件迫切需要，作為儲能器件之一的超級電容器由于導(dǎo)電性好、成本低、循環(huán)壽命長、功率密度高等優(yōu)勢而備受關(guān)注，但其體積能量密度及功率密度仍需進(jìn)一步提高。
炭材料被廣泛應(yīng)用于超級電容器電極材料，是因為它資源豐富，便宜易得，而且具有優(yōu)良的性能，如導(dǎo)電性好、比表面積大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。目前商業(yè)應(yīng)用的炭電極材料主要是活性炭，但由于其孔結(jié)構(gòu)的缺陷使得功率密度受到限制，從而限制了它的應(yīng)用。二維結(jié)構(gòu)的炭材料大的面積-體積比和開放的孔結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生更多的活性位點(diǎn)，同時縮短了離子傳輸?shù)木嚯x，因而具有更高的功率密度和能量密度。
富含蛋白質(zhì)的動物骨、皮，殼等廢棄物是一種非常適合制備雜原子摻雜的炭材料的生物質(zhì)前驅(qū)體，其含有豐富的蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)中含有較高含量的C、O、N，及少量的S含量，不僅可以作為碳源，還可以實(shí)現(xiàn)雜原子的原位摻雜。此外，這些動物骨、皮，殼等廢棄物每年產(chǎn)量高達(dá)幾十甚至上百萬噸，而大部分都被丟棄造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，因此，以這些生物質(zhì)材料作為前驅(qū)體制備炭材料，既節(jié)約資源，降低成本，又減少環(huán)境的污染。目前，制備生物質(zhì)炭材料的常用方法是將生物質(zhì)前驅(qū)體與堿物理混合后高溫活化，得到無規(guī)則形貌的多孔塊狀結(jié)構(gòu)，且雜原子含量低，使得傳質(zhì)過程較緩慢，倍率性能較差且容量較低；此外，得到的多孔炭電極材料的堆積密度往往較低，使得體積比電容較低。因而尋求一種步驟簡單、成本低廉的方法來制備高性能的多孔炭電極材料具有十分重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面是提供一種多原子共摻雜的多孔炭納米片電極材料的制備方法，該方法成本低廉、操作簡單，且制備得到的多孔炭納米片雜原子含量較多，比表面積較高，堆積密度較高；另一方面，用該方法制備得到的氮、氧、硫共摻雜的多孔炭納米片電極材料可用作超級電容器的電極材料，具有高的體積比電容和良好的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種多原子共摻雜的多孔炭納米片電極材料，具有多孔納米片狀結(jié)構(gòu)，片層厚度約為2~10 nm，比表面積 為500~3000 m2 g-1，孔容為0.2~1.6 cm3 g-1，堆積密度為0.48~1.4 cm3 g-1，且摻雜有1.0~7 %的氮、12~18 %的氧、0.2~1.5 %的硫。用作超級電容器電極材料時，具有較高的體積比電容和良好的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性。
本發(fā)明還保護(hù)上述多原子共摻雜的多孔炭納米片電極材料的制備方法，以富含蛋白質(zhì)的動物骨、皮、殼等廢棄物為前驅(qū)體，采用堿溶液提取其中蛋白質(zhì)后將得到的混合溶液干燥后在500~1200 °C下炭化，最后水洗得到該電極材料。
本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述制備方法包括如下步驟：
(1) 將富含蛋白質(zhì)的動物骨、皮、殼等廢棄物前驅(qū)體放入濃度為0.1~6 M的堿溶液中，其中前驅(qū)體與堿的質(zhì)量比為1:10~10:1，將溶液放入容器中，在40~100°C下保溫1~48h，去除沉淀后將所得溶液干燥，然后將干燥后的樣品放入炭化爐中，在惰性氣氛下以1~20 °C/min的升溫速率逐步加熱到炭化溫度500~1200 °C并保溫0.5~3 h；
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