[發明專利]一種基于原位聚合的富氮摻雜多級孔碳材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201711096006.3
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號: CN108039283B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 金輝樂;馮誠;王舜;董小妹;王繼昌;劉愛麗;李俊
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 溫州名創知識產權代理有限公司 33258
• 代理人: 陳加利

本發明公開了一種基于原位聚合的富氮摻雜多級孔碳材料及其制備方法與應用，按如下方法制備得到：將咪唑衍生物和六氯丁二烯混合，超聲1h，在溫度為180～220℃的條件下密閉反應4h～12h，之后泄壓為常壓，烘干，得到固體物質；在惰性氣體的保護下，將所得固體物質于700～900℃進行高溫處理，即得成品；本發明所提供的基于原位聚合的富氮摻雜多級孔碳材料，具有優異的電化學性能，可用來制備電容器電極尤其是超級電容器電極，從而可用于電容器尤其是超級電容器中，在儲能領域具有極大的應用潛力和工業價值。

技術領域

本發明提供了一種可用于超級電容器的原位聚合的富氮摻雜多級孔碳材料及其制備方法和用途，屬于無機功能材料領域。

背景技術

超級電容器是一類功率型儲能設備，具有快速充放電的能力，用作混合動力電動汽車動力設備具有廣闊的應用前景。電容器的性能與電極材料的特性有著密切聯系。通常情況下，電極材料需要比表面積高、孔徑分布適宜、導電性優異、物理化學穩定性高、耐腐蝕性高以及價廉易得等特性。

碳材料因比表面積大、質量輕、穩定性高而被廣泛應用。但碳材料作為電極材料還存在能量密度低，因此需要對碳材料進行進一步的改性。如在碳材料表面摻雜其他元素(氮、氧、磷、硫)等，能有效提高超級電容器的能量密度。目前，摻雜氮元素改進材料特性進而提高其電容性能成為關注熱點。

摻氮碳材料應用于超級電容器主要以兩種方式進行儲能。一種是以雙電層電容的形式進行儲能，另一種是以贗電容的形式進行儲能。其中，雙電層電容產生于電荷在電極材料與電解液界面處的積累，而贗電容是利用電極中活性物質在電解液中進行快速可逆氧化還原反應產生電荷。摻氮碳材料中氮材料所處環境不同，會引起不同電化學性能。研究表明，吡咯氮及吡啶氮可以有效的貢獻法拉第贗電容，這兩種含氮官能團可以一定程度上提高材料的親水性，從而使得電解液在電極材料上緊密接觸。石墨化氮通常位于碳網的中心，可以有效的提高材料的導電性，在碳材料中可以快速進行電子轉移，進而減少材料的電荷轉移電阻，獲得較優越的電容穩定性和較高的倍率性能。氮摻雜碳材料由于贗電容的引入使電極材料獲得較大的電容值，同時電容性能有了很大的提高，將摻氮碳材料用于電極材料將有很好應用前景。

作為合成氮摻雜多級孔碳材料的現有技術，例如可列舉如下：

CN101450799公開了一種制備摻氮碳納米管的石墨電弧放電方法、摻氮碳納米管以及使用其的碳納米管原件。在該制備摻氮碳納米管的電弧放電方法中，使用包括石墨、催化劑和作為氮源的含氮有機物的混合物制備陽極，并且使用該陽極和陰極進行電弧放電以制備該摻氮碳納米管。但此方法需要較高的設備要求，難以工業化。

CN104934237A公開了一種摻氮多孔炭/石墨烯二維復合電極材料的制備方法，其步驟如下：(1)將氧化石墨烯超聲分散于溶劑中得到懸浮液，加入有機單體，機械攪拌混勻后，加入引發劑引發聚合反應，反應完成后經抽濾、洗滌、干燥得到聚合物/氧化石墨烯二維復合材料；(2)將步驟(1)得到的產物與氫氧化鉀按比例通過干法混合后置于管式爐中，在氮氣保護下進行高溫活化，活化產物經酸洗滌、去離子水洗滌、干燥后得到目標產物。該發明制得的復合材料為二維結構，并且材料電導率好，但是反應過程復雜、需要氫氧化鉀活化，后處理困難等。

CN106887340A公開了一種基于胞嘧啶的摻氮多孔碳材料，由胞嘧啶、間苯二酚和甲醛，通過水熱法合成含氮酚醛樹脂，然后冷凍干燥，再與堿均勻混合經活化處理后，進行洗滌，干燥而得，其比表面積范圍在1700～2900m²g^-1，作為電容器電極材料其比電容為297～392F/g。此方法雖然獲得的高比表面積的材料，但是氮摻雜的含量較低，其能量密度不高。

如上所述，現有技術中公開了多種利用技術制備氮摻雜新型材料的方法，并由此得到了多種具有優異電學性質的新型材料，但這些氮摻雜新型材料雖然具有較優的比電容、穩定性，但在性能上仍存在大電流充放電差、能量密度較低等缺陷，同時在工藝上，反應過程復雜、對設備的要求高、這嚴重限制了其實際的應用和工業化生產。