[發明專利]超級電容器用樹枝狀纖維形空心氮摻雜碳納米籠的制備方法

有效

• 申請號: 202010525283.7
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111508726B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 譚華;姚超健;黃鎮泉;詹彤;朱佳平;劉衛兵;曹更玉
• 申請（專利權）人: 廣東石油化工學院;廣東廣油華豐科技研究有限公司
• 主分類號: H01G11/26
• 分類號: H01G11/26;H01G11/24;H01G11/36;H01G11/34;B82Y40/00;B01J27/24;B01J32/00
• 代理公司: 深圳紫晴專利代理事務所(普通合伙) 44646
• 代理人: 陳映輝

本發明提供了一種超級電容器用樹枝狀纖維形空心氮摻雜碳納米籠的制備方法，包括如下步驟：(1)以葡萄糖作為碳源，表面氨基化的樹枝狀纖維形二氧化硅粒子為硬模板，在水中完全溶解，分散后，通過水熱反應，獲得核?殼結構的樹枝狀纖維形氮摻雜碳納米籠材料；(2)取上述獲得的核?殼結構的樹枝狀纖維形氮摻雜碳納米籠材料與DABT混合均勻，通過程序升溫焙燒后，研磨備用；(3)將上述材料溶于HF溶液中去除硬模板后，即得樹枝狀纖維形空心氮摻雜碳納米籠。本發明提供的新型氮摻雜碳納米籠，比表面積大，氮含量高，微孔?介孔?大孔共存，可作為超級電容器電極材料。

技術領域

本發明屬于碳納米材料技術領域，具體涉及一種超級電容器用樹枝狀纖維形空心氮摻雜碳納米籠的制備方法。

背景技術

超級電容，被稱為電化學電容器，是一種新型的儲能裝置。其介乎于傳統電容器和可充電池之間，有著循環壽命長、功率密度高、可快速充電、安全可靠、環境友好等優點，有望應用于電子產品、移動通訊等領域。根據電荷存儲原理，可分為贗電容器以及雙電層電容器。前者涉及到化學反應，往往會有不可逆的成分，而雙電層電容器的儲能過程是物理過程，過程完全可逆，可以維持數百萬個充電循環。然而，傳統雙電層電容器的電極材料都有或多或少的一些缺點，例如，活性炭在低電流密度下雖可以保證有較高的比電容，但在大功率充放電時由于活性炭發達的微孔，比電容往往低于100F/g；石墨烯的理論比電容很高，但容易發生π-π堆垛，且制備成本高。碳納米管具有電導率高、空隙結構有序等優點，但比表面積過低。

然而，碳納米籠具有高比表面積、規則的孔道結構以及良好的導電性等特點，已成為一種新型的電極材料。制備碳納米籠的方法有金屬還原法，如中國專利CN201410056738.X公開了一種制備空心碳納米籠的方法，即將燃燒的鎂置于二氧化碳氣氛中，使其與二氧化碳反應，收集燃燒得到的灰分，加酸攪拌反應以除去氧化鎂，經洗滌、干燥，得到空心碳納米籠，但該方法很難對實驗條件進行控制，因而無法實現對碳納米籠尺寸和形貌的調控。另一種方法是硬模板法，即在硬模板表面通過一定方法包裹一層碳材料，去除硬模板后，即可獲得碳納米籠；如中國專利CN104118859A將一定量的堿式碳酸鎂放置于管式爐中間，一定量的苯酚放置于管式爐的氣流上游，放置堿式碳酸鎂區間在氬氣保護下升溫至650-1000℃，然后放置苯酚區間升溫至80-120℃，苯酚蒸汽隨氬氣帶入至反應區，在氧化鎂納米立方體的表面脫氫，反應維持0.5-2h，隨之在氬氣保護下冷卻至室溫。最后以稀鹽酸浸漬所得粉體，過濾，再以蒸餾水清洗、在80-120℃烘干，即得無定型碳納米籠粉體。其他常見的硬模板有二氧化硅球、沸石類、氧化鋁等。然而對于先進的雙電層電容器的電極材料，需要微孔、介孔、大孔共存，這樣大孔可作為電解液蓄水池，縮短離子擴散距離；介孔可以提供大的比表面積作為離子電荷的存儲場所；微孔能提供更大的比表面積來吸附離子提高比電容。

因此，急需研發一種具有高比表面積，且微孔-介孔-大孔共存的雙電層電容器的電極材料。

發明內容

針對現有技術中存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種比表面積大，微孔-介孔-大孔共存的超級電容器用樹枝狀纖維型空心氮摻雜碳納米籠的制備方法，該空心氮摻雜碳納米籠導電性優良、浸潤性可調，顯示出良好的電容性能。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種超級電容器用樹枝狀纖維形空心氮摻雜碳納米籠的制備方法，包括如下步驟：

(1)將葡萄糖加入溶劑中，攪拌至完全溶解后，加入表面氨基化的樹枝狀纖維形二氧化硅粒子，所述葡萄糖與所述表面氨基化的樹枝狀纖維形二氧化硅粒子的加入量為1-4:1，攪拌至完全分散后，在170-190℃下反應30-48h后，抽濾，水洗，干燥，獲得核-殼結構的樹枝狀纖維形氮摻雜碳納米籠材料；

(2)按質量比為1-3:1，取上述獲得的核-殼結構的樹枝狀纖維形氮摻雜碳納米籠材料與DABT在5-15mL甲醇中混合，攪拌至甲醇完全揮發后，升溫至600℃保持1-3h，再升溫至900℃保持1h，冷卻后研磨備用；