[發明專利]一種用于超級電容器的氮摻雜炭氣凝膠材料、制備方法及應用

在審

• 申請號: 201910634256.0
• 申請日: 2019-07-15
• 公開（公告）號: CN110240143A
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發明（設計）人: 高云芳;傅寒立;徐新
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/348;C01B32/318;H01G11/24;H01G11/30;H01G11/44
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 裴金華

本發明公開了一種用于超級電容器的氮摻雜炭氣凝膠材料的制備方法，包括下列步驟：將殼聚糖鋅配體凝膠經過冷凍干燥，高溫處理和洗滌等步驟，制得氮摻雜炭氣凝膠材料；本方法具有原料來源自然儲量大易獲取、生產工藝相對簡單、污染小、易于實現量產、產品孔徑大小及數量在較大范圍內可控等優點；本發明還公開了一種氮摻雜炭氣凝膠材料，比表面積為1474?2890 m²/g，介孔率為40%?85%，氮含量為3%?8%；材料具有分級多孔結構，電化學性能良好；本發明還公開了上述氮摻雜炭氣凝膠材料作為超級電容器電極材料的應用，應用時該材料表現出高能量密度。

技術領域

本發明涉及超級電容器材料技術領域，具體涉及一種用于超級電容器的氮摻雜炭氣凝膠材料及其制備方法，以及將這種材料用作超級電容器電極材料的技術。

背景技術

超級電容器因其充放電速度快、儲能密度高、循環壽命長、工作溫限寬等優點而日益受到關注。超級電容器主要包括：集流體、電解質、電極和隔膜。其中，超級電容器電極材料的結構和特性是決定超級電容器性能的關鍵。因此，研發高性能的超級電容器電極材料具有重要的意義。

隨著科技的發展，低密度材料越來越受到人們重視，尤其是超輕材料的誕生使得低密度材料上了一個新的臺階。超輕材料指的是密度小于10 mg/cm³的固體材料，具有優異的比強度、比剛度和耐熱性，還具有良好的結構性能和物理及化學性能。

炭氣凝膠材料是一種典型的新型納米多孔超輕材料，具有很高的比表面積，密度變化范圍廣，孔隙結構可調且在一個很寬的溫度范圍內具有很高且穩定的電導率等特點，其在力學、聲學、電學、熱學及光學等領域都有潛在的應用價值，已經被研究應用于超級電容器的電極材料。鑒于炭材料表面的化學惰性，引入非金屬雜原子，如N、P，不僅可以增加炭材料的浸潤性，而且可以貢獻一定的贗電容。陳等在《能源與環境科學》發表的《活性電解質增強超級電容器的自放電現象研究》中已經通過研究得出氮(N)摻雜可以有效地提升納米炭材料的儲能性能和電催化活性。在N摻雜富電子炭納米結構中，碳π電子與N摻雜的單對電子共軛激活。另外，N原子作為一種贗電容元件，通過將贗電容耦合到電雙層電容中，促進了炭材料比電容的提升。提高炭材料中N含量可以有效提高基炭電極的比表面積、表面潤濕性、循環性和電子電導率。

目前，已經有了多種氮摻雜炭氣凝膠材料的制備方法，這些方法一般采用酚類化合物和醛類化合物為原料，在碳酸鈉為催化劑作用下發生縮聚反應，形成酚醛類氣凝膠材料，再通過超臨界干燥和碳化得到具有網絡結構的氮摻雜炭氣凝膠。但所采用的原料大多需要從外界引入氮源，原料的年產量不高，難以大量獲取，因此利用可再生的天然生物聚合物制備高性能氮摻雜炭氣凝膠材料是超級電容器電極材料發展的一個重要方向。

殼聚糖作為一種可再生的天然生物聚合物，是甲殼類海產品殼中甲殼素的一種脫乙酰衍生物，原料自然儲量大，易獲取。采用殼聚糖同時作為氮摻雜炭氣凝膠材料的碳源和氮源，不需要采用昂貴的前體或有毒氮源以及繁瑣的合成程序，此外，制備方法步驟少，生產工藝簡單，制備得到的材料具有優異的電化學性能。2015年，郝等在《納米能源》發表的《殼聚糖衍生的氮自摻雜型分級多孔碳氣凝膠作為高性能超級電容器的電極材料》中，將殼聚糖在不斷攪拌過程中溶于水，加一定質量分數的醋酸形成殼聚糖凝膠，并通過KOH活化和高溫碳化的方法制得一種超級電容器用炭氣凝膠材料。2018年，杰等在《碳水化合物聚合物》發表的《富氮多孔炭材料在超級電容器中的應用》中，制得殼聚糖鋅配體凝膠，并通過水熱反應和高溫碳化的方法制得一種超級電容器用多孔炭材料。

然而上述報道的方法制備得到的超級電容器用氮摻雜炭氣凝膠材料存在比表面積低、介孔率不高、孔徑不易調控、比電容低的問題。

發明內容

本發明的目的在于，針對現有技術的上述不足，提出一種原料自然儲量大易獲取、污染小、制備所得材料具有比表面積和介孔率高、孔徑大小及數量可控且電化學性能良好的一種用于超級電容器的氮摻雜炭氣凝膠材料的制備方法。