[發(fā)明專利]吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳電極材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010088840.3
• 申請(qǐng)日: 2020-02-12
• 公開（公告）號(hào): CN111223685B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭萬春;楊薇;王君妍;田克松;鄭熠;趙甫;李雪愛;王海燕
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/48
• 分類號(hào): H01G11/48;H01G11/86
• 代理公司: 石家莊眾志華清知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(特殊普通合伙) 13123
• 代理人: 張建

本發(fā)明公開了吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳電極材料的制備方法，其制備方法包括：A、3?氟苯酚?羥基吡啶?甲醛樹脂納米球的水熱合成，B、3?氟苯酚?羥基吡啶?甲醛樹脂的碳化，C、碳化后3?氟苯酚?羥基吡啶?甲醛樹脂的活化過程，本發(fā)明碳化脫氟反應(yīng)使吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳材料表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，作為超級(jí)電容器電極材料使用時(shí)表現(xiàn)出高倍率性能；同時(shí)，較低的碳化溫度和活化溫度使吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳材料保留了更多的含氮官能團(tuán)作為贗電容活性位點(diǎn)，作為超級(jí)電容器電極材料使用時(shí)表現(xiàn)贗電容特性和高比容量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳電極材料的制備方法，屬于碳材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能裝置，因其功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、航空航天和國(guó)防科技等需要快速功率變換的領(lǐng)域。電極材料作為超級(jí)電容器的關(guān)鍵部件成為當(dāng)前研究重點(diǎn)。由于良好的導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、可調(diào)控的孔徑和來源廣泛等優(yōu)勢(shì)，碳材料成為最重要的超級(jí)電容器電極材料。目前，碳材料前驅(qū)體主要來源于天然原料和合成材料。與含有多種雜質(zhì)的天然原料相比，合成材料具有更高的純度，基于合成材料的碳材料具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性，表現(xiàn)出更長(zhǎng)的使用壽命。在合成材料中，酚醛樹脂表現(xiàn)出高成碳率，相應(yīng)碳材料表現(xiàn)出低雜質(zhì)含量、優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐老化性能成為最具潛力的超級(jí)電容器電極材料之一。

然而，具有高導(dǎo)電性的酚醛樹脂基碳材料通常僅提供雙電層電容，其比容量依然有待提升。通過氮原子摻雜為碳材料提供贗電容活性位點(diǎn)從而增加碳材料比容量成為改進(jìn)碳材料電極性能的重要手段。以含氮酚醛樹脂為前驅(qū)體將氮原子原位摻雜進(jìn)碳材料結(jié)構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)氮元素在酚醛樹脂基碳材料中的均勻分布，成為制備氮摻雜酚醛樹脂基碳材料的關(guān)鍵策略。通常，原位法低溫制備的氮摻雜酚醛樹脂基碳材料可以保留較高氮含量表現(xiàn)贗電容，然而不易石墨化的酚醛樹脂低溫條件下導(dǎo)電性不足降低了其倍率性能，進(jìn)而降低了其快速充放電能力；原位法高溫制備的氮摻雜酚醛樹脂基碳材料具有較高的導(dǎo)電性，然而氮含量流失過多，導(dǎo)致其贗電容降低，進(jìn)而降低了總體比電容。因此，提供有效策略開發(fā)兼具良好導(dǎo)電性和高比容量的氮摻雜酚醛樹脂基碳材料依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳電極材料的制備方法，使吡啶酚醛樹脂基碳材料表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，作為超級(jí)電容器電極材料使用時(shí)表現(xiàn)出高倍率性能和贗電容特性、高比容量。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳電極材料的制備方法，羥基吡啶、3-氟苯酚與六亞甲基四胺通過水熱法制備得到吡啶酚醛樹脂，隨后對(duì)吡啶酚醛樹脂進(jìn)行熱處理和活化過程得到吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳材料。

本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：具體制備方法如下：

A、將3-氟苯酚、羥基吡啶單體和六亞甲基四胺按一定比例加入80 mL蒸餾水中完全溶解形成均勻溶液，將均勻溶液加入100 mL反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)得到產(chǎn)物一，產(chǎn)物一用蒸餾水洗滌至pH=7，在一定條件下干燥得到吡啶酚醛樹脂納米球樣品；

B、將步驟A中吡啶酚醛樹脂納米球樣品放入管式爐中，在氮?dú)鈿夥罩袕氖覝厣郎刂?00~800 ^oC，熱處理一段時(shí)間，自然冷卻至室溫后收集產(chǎn)物二；

C、將步驟B中產(chǎn)物二與氫氧化鉀按照一定比例混合并研磨充分，放入管式爐中，在氮?dú)鈿夥罩袕氖覝厣郎刂烈欢囟冗M(jìn)行活化反應(yīng)，自然冷卻至室溫后收集產(chǎn)物三，將產(chǎn)物三用鹽酸溶液和蒸餾水依次洗滌至pH=7，然后在一定條件下真空干燥得到吡啶酚醛樹脂基氮摻雜碳材料。

本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟A中3-氟苯酚、羥基吡啶單體與六亞甲基四胺的質(zhì)量比為1:0.85:0.8~0.9，其中羥基吡啶單體為2-羥基吡啶、3-羥基吡啶或4-羥基吡啶，所述羥基吡啶單體的濃度為0.009~0.015 mol/L，所述吡啶酚醛樹脂納米球粒徑為350~750 nm。