[發明專利]一種堆積多孔氮摻雜碳納米片電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811068039.1
• 申請日: 2018-09-13
• 公開（公告）號: CN109279592B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 高可政;牛慶媛;王力臻;方華;韓莉鋒
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業學院
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/86;H01G11/24;H01G11/26;H01G11/36
• 代理公司: 鄭州博派知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 41137
• 代理人: 伍俊慧

本發明涉及一種堆積多孔氮摻雜碳納米片電極材料及其制備方法，屬于電極材料制備技術領域。本發明的堆積多孔氮摻雜碳納米片電極材料的制備方法，包括如下步驟：將甲殼素進行TEMPO催化氧化；將制得的甲殼素納米纖維懸浮液與纖維素納米纖維懸浮液混合均勻，得到復合懸浮液；將復合懸浮液置于鹽酸蒸汽中處理；將復合水凝膠浸入水中浸泡至復合水凝膠達到中性；將得到的中性復合水凝膠進行冷凍，干燥；將制得的復合氣凝膠碳化即得。本發明采用纖維素納米纖維懸浮液和甲殼素納米纖維懸浮液制成水凝膠，利用冷凍時冰晶生長將纖維素納米纖維和甲殼素納米纖維隨機擠壓到相鄰冰晶間隙處。

技術領域

本發明涉及一種堆積多孔氮摻雜碳納米片電極材料及其制備方法，屬于電極材料制備技術領域。

背景技術

近年來，隨著新能源車等產業的快速發展，對功率型儲能器件的需求和要求越來越高，對電源的循環壽命也提出了更高的要求。碳基超級電容器以其具有較高的功率密度、卓越的循環穩定性以及高可靠性等特點得到了廣泛關注。但是，超級電容器的能量密度較低，這限制了碳基超級電容器的大規模應用。如何在不犧牲碳電極材料優點的同時提高其能量密度成為對超級電容器用碳基電極材料的重要研究目標。

碳材料的儲能性能對超級電容器的能量密度影響很大，其中主要跟碳材料的微觀形貌、孔結構、比表面積以及導電性能密切相關。具有合理孔徑結構（微孔、介孔以及大孔）、高比表面積以及優異導電性能的碳材料具有優良電化學性能的潛能。傳統多孔碳材料一般是通過活化制備得到。活化制備過程中一般要用到大量具有強腐蝕性的活化劑（如KOH）。對制得的碳材料的孔結構的均勻性影響較大，并且對活化過程中使用的儀器要求較高。

固體物質在堆積過程中都會形成一定量一定形貌的堆積孔隙結構。如何利用相似的原理，將納米尺度的物質進行隨機堆積，并堆積出具有合理孔徑結構的2D多孔碳材料，具有重要的研究價值。

發明內容

本發明提供一種堆積多孔氮摻雜碳納米片電極材料的制備方法，以提高碳納米片材料的空隙分布均勻程度。本發明還提供一種上述方法制得的堆積多孔氮摻雜碳納米片電極材料。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案如下：

一種堆積多孔氮摻雜碳納米片電極材料的制備方法，包括如下步驟：

1）將甲殼素進行TEMPO催化氧化，然后進行超聲分散，離心分離，蒸發濃縮，制得甲殼素納米纖維懸浮液；

2）將步驟1）制得的甲殼素納米纖維懸浮液與纖維素納米纖維懸浮液混合均勻，得到復合懸浮液；

將復合懸浮液置于鹽酸蒸汽中處理1-12h，制得復合水凝膠；

將復合水凝膠浸入水中浸泡至復合水凝膠達到中性，得中性復合水凝膠；

3）將步驟2）得到的中性復合水凝膠進行冷凍，干燥，制得復合氣凝膠；

4）將步驟3）制得的復合氣凝膠在惰性氣氛中，在600℃-1200℃保溫0.5-6 h，即得。

本發明采用纖維素納米纖維（CNFs）懸浮液和甲殼素納米纖維（CFs）懸浮液，并將兩者混合得到均勻的混合懸浮液制成水凝膠，采用冷凍的手段，利用冷凍時冰晶生長將纖維素納米纖維和甲殼素納米纖維隨機擠壓到相鄰冰晶間隙處，實現天然納米纖維在微觀尺度下的2D隨機堆積，并形成纖維素納米纖維/甲殼素納米纖維隨機堆積多孔膜。冷凍后得到相應的氣凝膠，最后在惰性氣氛下碳化得到基于天然納米纖維材料的2D堆積多孔氮摻雜碳納米片電極材料。

由于纖維素納米纖維與甲殼素納米纖維結構上的關聯性，本發明采用在懸浮液中使二者混合，能夠得到分散均勻程度非常高的混合分散體。復合懸浮液置于鹽酸蒸氣中約1-12小時，可以獲得均勻的復合水凝膠，浸入水中浸泡，可以使復合水凝膠達到中性。在水中浸泡的時間為12-48h。