[發明專利]氮摻雜多孔碳材料、其制備方法及在超級電容器中的應用

有效

• 申請號: 202011597960.2
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112456487B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 王嚴杰;唐校福;崔立峰;張東東;劉丹
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;H01G11/24;H01G11/34;H01G11/44
• 代理公司: 廣東恩典律師事務所 44549
• 代理人: 張紹波

一種氮摻雜多孔碳材料、其制備方法及在超級電容器中的應用，其中制備方法包括將海芋葉和氯化鋅的混合液與三聚氰胺甲醛樹脂進行水熱反應后，高溫碳化得到氮摻雜多孔碳材料。依據上述實施例中的制備方法，通過將生物質炭海芋葉直接分散在氯化鋅溶液中并混合均勻，水熱反應可同時進行初步碳化和活化，加快反應速率；且在水熱過程中引入氯化鋅能使材料與造孔劑更加均勻混合，提高了氮摻雜多孔碳材料的電化學性能。

技術領域

本發明涉及超級電容器技術領域，尤其是一種氮摻雜多孔碳材料、其制備方法及在超級電容器中的應用。

背景技術

超級電容器作為一種新型儲能裝置，具有在短時間內完成充放電，循環壽命長等特點，介于傳統電容器和充電電池之間。基于碳的材料具有出色的電化學穩定性、良好的導電性和長循環壽命，被認為是超級電容器電極材料的極佳替代品。碳材料包括碳納米管、碳納米纖維、石墨烯等，但這些材料制備過程中仍然存在成本高、制備過程復雜以及材料不可再生等問題，大大限制了其大規模應用。

超級電容器電極可以采用生物質碳材料。生物質碳材料作為一種可再生材料，具有低成本、易獲取、再生速度快以及環境友好等特點，被大量應用在催化、吸附、儲能和傳感等領域之中。不同原料具有不同的性質，所用的材料加工方法也是多種多樣，導致材料的結構和性能也具有多樣性，到目前為止，很多生物質衍生的碳已經作為超級電容器電極材料。但是目前氮摻雜生物質多孔碳的制備方法是先進行碳化反應再活化，制備工藝復雜，難以控制，整體效率較低，且活化劑的選擇會對材料的性能和形貌起決定性作用，無法解決造孔效率低的問題。

發明內容

為解決上述問題，本申請提供一種氮摻雜多孔碳材料，其制備方法以及該材料在超級電容器中的應用，其中該制備方法可控、操作簡便，可提高量產效率，且能夠解決活化劑造孔效率低的問題，有利于提高氮摻雜多孔碳材料的電化學性能。

一方面，本申請的一實施例中提供一種氮摻雜多孔碳材料的制備方法，將海芋葉和氯化鋅的混合液與三聚氰胺甲醛樹脂進行水熱反應后，高溫碳化得到氮摻雜多孔碳材料。

優選地，海芋葉是經冷凍干燥處理得到的。

優選地，將海芋葉材料冷凍至固體狀態后，在預定真空度下升華，得到冷凍干燥的海芋葉，海芋葉為干燥的粉末狀。

優選地，海芋葉和氯化鋅的質量比為1:2~1:5。

優選地，三聚氰胺甲醛樹脂由三聚氰胺和甲醛反應生成，其中甲醛和三聚氰胺的摩爾比為2:1~6:1。

進一步地，制備方法的具體步驟包括：往混合液中依次加入甲醇溶液和三聚氰胺后進行水熱反應，在稀有氣體氣氛下高溫碳化，經冷卻、清洗、干燥得到氮摻雜多孔碳材料。

進一步地，制備方法具體步驟包括：

S1、將冷凍干燥后的海芋葉分散到去離子水中，加入氯化鋅攪拌均勻，得到混合液；

S2、往混合液中依次加入預定比例的甲醛溶液和三聚氰胺，攪拌至預定時間；

S3、將S2得到的反應液移入聚四氟乙烯內膽的水熱反應釜中進行水熱反應，在180-210^oC條件下保溫12~18小時，冷卻至室溫并烘干，得到樣品；

S4、將樣品轉入到管式爐中，在氬氣氣氛條件下進行碳化反應，600~800^oC保溫2~8小時；

S5、冷卻S4得到的產物，并浸泡在2mol/L的酸溶液中至預定時間后，用去離子水清洗至中性并干燥，得到氮摻雜多孔碳材料。

優選地，酸溶液是鹽酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液中的任一種或多種。

另一方面，本申請的一實施例中提供一種氮摻雜多孔碳材料，由上述制備方法制得。