[發(fā)明專利]一種氮自摻雜多孔碳電極的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110410380.6
• 申請(qǐng)日: 2021-04-16
• 公開（公告）號(hào): CN113148975B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張偉業(yè);劉毅;孫璟萌;王蓓蓓;郭洪武
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種氮自摻雜多孔碳電極的制備方法，包括如下步驟：將木材沿垂直于生長方向進(jìn)行切片，得到橫切面木材基板；將基板浸入氫氧化鈉溶液中，加熱進(jìn)行預(yù)處理，反應(yīng)結(jié)束后洗凈并冷凍干燥；將得到的預(yù)處理樣品浸沒于硝酸鋅、甲醇和去離子水的混合溶液中，真空浸漬；然后將二甲基咪唑、甲醇和去離子水加入燒杯混合形成二甲基咪唑溶液，將混合溶液加入硝酸鋅、甲醇和去離子水的混合體系中，使ZIF?8在木材孔道原位合成；隨后將樣品在管式爐中高溫炭化得到了氮自摻雜多孔碳電極。本發(fā)明方法制備工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于電學(xué)、智能響應(yīng)材料以及電磁屏蔽材料等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電極材料的制備方法，具體涉及一種氮自摻雜多孔碳電極的制備方法，屬于電極材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器是以一種新興的儲(chǔ)能裝置，它具有功率密度高，使用壽命長，充放電速度快等特點(diǎn)。目前開發(fā)新型超級(jí)電容器主要集中在開發(fā)新的電極材料和設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。金屬-有機(jī)骨架(MOFs)是由金屬離子(團(tuán)簇)和有機(jī)配體組成，具有可調(diào)孔隙的晶體配位聚合物。它具有獨(dú)特的微/中孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致高比表面積、大孔隙率、低密度和結(jié)構(gòu)多樣性等特點(diǎn)。純MOFs導(dǎo)電性差，將MOFs炭化從而得到MOFs衍生的碳質(zhì)材料，可以增加導(dǎo)電性以及繼承原有的高孔隙率，然而MOFs衍生的碳以粉末形式存在，制備電極時(shí)需要加入導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑，因此會(huì)導(dǎo)致差的電化學(xué)性能。創(chuàng)建自支撐電極是一種提高超級(jí)電容器電化學(xué)性能的有效方法。

木材具有鮮明的各向異性結(jié)構(gòu)，由連接良好的中空纖維結(jié)構(gòu)組成。這種獨(dú)特的層次結(jié)構(gòu)和開放式的多孔結(jié)構(gòu)使木材具有優(yōu)異的的機(jī)械性能，重量輕等特點(diǎn)，為制造高性能的復(fù)合電極提供了理想的支架結(jié)構(gòu)。此外，木材表現(xiàn)出豐富的羥基，可以作為化學(xué)改性的活性位點(diǎn)，使MOFs在木材細(xì)胞壁內(nèi)進(jìn)行原位自組裝。沸石咪唑骨架(ZIFs)所含氮(N)元素可以實(shí)現(xiàn)電極材料N元素的自摻雜。摻雜N元素不僅可以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，而且改善了電極的潤濕性。此外，多孔碳材料的高氮含量有利于在高溫炭化過程中產(chǎn)生大量缺陷，能顯著提高電荷的存儲(chǔ)能力，從而使超級(jí)電容器具有高比電容。

以天然巴爾沙木為前驅(qū)體，采用自上而下的方法制備氮自摻雜多孔碳?xì)饽z。首先，對(duì)木材使用NaOH進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理可以確保鈉離子對(duì)木材固有羧基中質(zhì)子的離子交換，為ZIF-8結(jié)構(gòu)的后續(xù)生長提供了成核位置。然后，在甲醇體系中使鋅離子和鈉離子發(fā)生離子交換，隨后鋅離子和二甲基咪唑之間通過氫鍵和靜電相互作用原位生成ZIF-8納米顆粒。最后，將木材/ZIF-8炭化得到氮自摻雜多孔碳?xì)饽z。自上而下的方法保留了木材的3D互連多孔結(jié)構(gòu)，孔壁上的炭化ZIF-8納米顆粒一方面可以提供高的比表面積，另一方面可以提供高的氮元素?fù)诫s，從而實(shí)現(xiàn)電極優(yōu)異的電化學(xué)性能。專利CN109607698A公開了一種大塊平整成型碳電極的制備方法，首先將木材切片浸入氫氧化鈉溶液中，隨后將處理后的木材切片轉(zhuǎn)移至管式爐中制得碳電極；專利CN109003828A公開了一種生物質(zhì)碳電極的制備方法，通過將小麥秸稈與檸檬酸混合成漿料并冷凍干燥，隨后炭化得到復(fù)合電極材料。上述制備方法制備工藝復(fù)雜而且電化學(xué)性能有待進(jìn)一步提高。因此，發(fā)明一種來源于木材，具有優(yōu)異電化學(xué)性能的氮自摻雜多孔碳電極是一個(gè)非常迫切的課題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的旨在提供一種綠色環(huán)保，簡單易行的新型碳電極的制備方法。制備得到的碳電極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

具體的，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案達(dá)到的：

一種氮自摻雜多孔碳電極的制備方法，包括如下步驟：

(1)將木材沿著垂直于生長方向進(jìn)行切片，得到具有橫切面的木材基板。

(2)將步驟(1)中所到的木材基板浸入氫氧化鈉(NaOH)溶液中，加熱進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后取出樣品，洗凈并干燥。

(3)將步驟(2)中得到的預(yù)處理樣品浸沒于硝酸鋅(ZnNO₃)、甲醇和去離子水的混合溶液中，真空浸漬。