[發明專利]一種高介孔率氮摻雜炭電極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201810257803.3
• 申請日: 2018-03-27
• 公開（公告）號: CN108483442B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 蔡進軍;黃格格;高翔宇;吳星星
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;C01B32/348;H01G11/32;H01G11/26
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 周曉艷;張文君

本發明提供一種高介孔率氮摻雜炭電極材料的制備方法，包括以下步驟：第一步：預處理；第二步：水熱反應，將竹筍殼進行水熱反應得到水熱炭前驅物；第三步：碳化反應，將所述水熱炭前驅物進行過濾、洗滌和干燥處理后與氮源物進行低溫碳化處理，得到碳化物；第四步：活化處理，將碳化物與活化劑進行活化處理，再經過酸洗、去離子水洗滌以及干燥后得到一種孔徑主峰位于2.8nm的高介孔率氮摻雜炭電極材料。應用本發明的電極材料組裝成對稱性超級電容器，效果是：在電流密度為0.5A/g時比電容量高達209F/g，尤其是在高電流密度10A/g時具有優異的穩定性，10000次循環充放電后仍高達95％初始電容量。

技術領域

本發明涉及材料技術領域，特別地，涉及一種高介孔率氮摻雜炭電極材料的制備方法。

背景技術

超級電容器是一種新型的儲能裝置，儲存的電荷對比傳統標準電容器的密度要高很多倍，影響超級電容器性能的關鍵在于電極材料。多孔炭材料具有高的比表面積、發達的孔隙結構、化學穩定性等特征，成為超級電容器電極材料的首選。

多孔炭材料可以由不同碳前驅物來制備，包括金屬有機物、聚合物和生物質，其中，生物質體量豐富、可再生和環保，在大規模制備多孔炭材料方面具有潛在應用價值。利用可持續生物質廢棄物為碳源構建多孔炭材料來存儲能量已經引起了廣泛關注，一定程度上實現了廢棄物資源化的有效利用。例如專利CN101037200A公開了一種以秸稈制作超級電容器用活性炭材料的方法，制備的活性炭電極材料比表面積大、比電容量高、同時實現了秸稈資源化利用，成本低。

竹筍一般作為食材，竹筍殼是竹筍長成竹子后脫落下來或竹筍經加工后的副產品，沒有食用價值，因此，竹筍殼在當今市場上一般都會成為廢棄物。相較于其它類別生物質，竹筍殼具有高強度、薄木單板的形態結構，同時表面含有硅質層和蠟質層，使得其潤濕性較差，影響膠黏劑在竹筍殼表面的潤濕、鋪展、滲透及黏附，這在很大程度上影響了竹筍殼的實用性。專利CN102745688A公開了一種氯化鋅活化制備竹筍殼基活性炭工藝，以氯化鋅為浸漬液，經高溫活化、鹽酸煮沸、洗滌、干燥等工藝步驟制得筍殼基活性炭。專利CN104891491B報道了一種竹筍殼基活性炭電極材料，通過高濃度KOH活化處理、酸洗后得到一種管狀形貌、微孔發達的多孔炭材料，應用于超級電容器表現出優異的循環性能。除此之外，還有其他報道。現有技術均采用直接碳化和/或化學活化技術，得到的活性炭材料并不含有表面氮官能團，已有技術顯然對竹筍殼基活性炭材料的形貌、孔隙結構及其表面化學特性而言都很難得精確的宏觀調控。

因此，開發一種新的制備電極材料的方法具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種成本低廉、工藝溫和以及組裝成電化學電容器后性能好的高介孔率氮摻雜炭電極材料的制備方法，具體技術方案如下：

一種高介孔率氮摻雜炭電極材料的制備方法，包括以下步驟：

第一步：預處理，具體是：將竹筍殼用去離子水洗凈、干燥并進行粉碎；

第二步：水熱反應，具體是：將粉碎后的竹筍殼置于聚四氟乙烯反應釜進行水熱反應得到水熱炭前驅物；

第三步：碳化反應，具體是：將所述水熱炭前驅物進行過濾、洗滌和干燥處理后與氮源物在惰性氣體保護下進行低溫碳化處理，得到碳化物；

第四步：活化處理，具體是：將碳化物與活化劑進行研磨后在惰性氣體保護下進行活化處理，再經過酸洗、去離子水洗滌以及干燥后得到高介孔率氮摻雜炭電極材料。

以上技術方案中優選的，所述水熱反應中：介質為醋酸、草酸、稀硫酸、乙醇、異丙醇以及去離子水中的至少一種；水熱反應的溫度為130-240℃，水熱反應的時間為12-72h。