[發明專利]一種自摻氮多級孔碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201810338923.6
• 申請日: 2018-04-16
• 公開（公告）號: CN108423677A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 申鋒;漆新華
• 申請（專利權）人: 農業部環境保護科研監測所
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348;H01G11/24;H01G11/26;H01G11/34;H01G11/86
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王戈

本發明公開了一種自摻氮多級孔碳材料及其制備方法和應用。本發明所提供的自摻氮多級孔碳材料以含氮水生植物為前驅體，通過高溫活化法合成，具有微孔、介孔和大孔的三級孔道結構，比表面積大，含有雜原子氮，可作為超級電容器電極的理想材料，在堿性電解液中比電容可達250～290F/g，可重復3000次以上充放電循環。且本發明的摻氮多級孔碳材料制備方法中前驅體來源于實際生活中的含氮水生植物，成本低；無需添加外源含氮單體或后處理氮改性，更加高效、環保。

技術領域

本發明涉及超級電容器電極材料領域，特別是涉及一種自摻氮多級孔碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

煤、石油等不可再生能源日益枯竭，且帶來了嚴重的環境問題。各國科學家正致力于開發新型可循環綠色能源儲存設備(如電池和超級電容器)。超級電容器作為一種獨特的能源儲存設備，具有充電時間短，壽命長，穩定性高，環境友好等優點。超級電容器的核心部件是其電極；其中，碳材料類電極由于其低成本、易改性、高導電率等優勢成為制備電極材料的熱門。目前限制碳材料電極大規模商業應用的主要原因在于其電化學性能相對較差。

為進一步提高多孔碳材料電極性能，一方面需要增加碳材料比表面積，豐富孔類型(微孔、介孔和大孔)，其中，微孔利于電解質離子的儲存，而介孔和大孔可以為電解液的快速傳輸提供通道。另一方面，在碳電極中摻加氮(N)、硼(B)、硫(S)等雜原子，可以提高材料濕潤性，降低電解液傳輸阻力。此外，雜原子還能與電解液發生氧化還原反應，從而產生贗電容，提高電極材料性能。其中，雜原子N被認為最有效而受到廣泛應用；目前合成多級孔碳材料的方法一般為模板法和活化法相結合，需要繁瑣的步驟；還有一種摻雜N等雜原子的方法主要為添加外源含氮單體(三聚氰胺)或后處理法(氨氣)，工藝復雜，產生二次污染，成本高。

發明內容

本發明的目的是提供一種自摻氮多級孔碳材料及其制備方法和應用，以解決現有技術中多孔碳材料電極電化學性能差，工藝復雜，成本高且污染大的問題。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種自摻氮多級孔碳材料，包括以下步驟的方法制備得到：

(1)對含氮水生植物進行烘干、粉碎以及過篩，得到含氮水生植物粉末；

(2)對所述含氮水生植物粉末與活化劑進行球磨，得到混合物；

(3)對所述混合物進行高溫熱解，得到碳材料；

(4)采用洗脫液對所述碳材料進行堿洗以及酸洗，去掉所述碳材料中的雜質和活化劑，得到洗脫后的碳材料粉末；

(5)利用去離子水對所述洗脫后的碳材料粉末進行沖洗，得到沖洗后的碳材料粉末；

(6)對所述沖洗后的碳材料粉末進行烘干，得到自摻氮多級孔碳材料。

可選的，所述自摻氮多級孔碳材料含有雜原子N含量為1.6％～3.3％；

所述自摻氮多級孔碳材料為三級孔結構，所述三級孔結構為微孔、介孔以及大孔；

所述自摻氮多級孔碳材料的比表面積為1500～1800m²/g；所述微孔的面積為1200～1300m²/g；所述介孔的面積為300～500m²/g；孔容為0.5～0.9cm³/g。

一種自摻氮多級孔碳材料的制備方法，包括：

(1)對含氮水生植物進行烘干、粉碎以及過篩，得到含氮水生植物粉末；

(2)對所述含氮水生植物粉末與活化劑進行球磨，得到混合物；

(3)對所述混合物進行高溫熱解，得到碳材料；