一种氮掺杂多孔结构碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种氮掺杂多孔结构碳材料，由葡萄糖和含氮化合物反应后，活化制备而成，其比表面积范围在845~3277 m

Nitrogen doped porous structure carbon material and preparation method and application thereof

The invention provides a nitrogen doped porous carbon materials from glucose and nitrogen after reaction, activation process, the surface area in the range of 845~3277 M

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂多孔结构碳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及多孔材料
，具体涉及一种氮掺杂多孔结构碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
超级电容器作为介于传统电容器与二次电池之间的一种新型的高效储能装置，具有超大容量、高功率密度、高充放电效率、使用寿命长、免维护、节能环保等优势，已广泛应用于电子、新能源等高新
，成为世界各国新能源领域的研究热点之一。它主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。活性炭是目前最主要的商用电极材料，其具有大量的孔隙结构、巨大的比表面积、强的吸附能力、稳定的物理化学性能及料广价廉等优点而被广泛应用于超级电容器、锂离子电池、气体吸附与分离、水体净化等前沿科技领域。然而，H2和CO2在纯碳材料上吸附属于物理吸附，因此吸附量和选择性都较差，且单纯活性炭材料主要是由于其具备较高的比表面积提供的双层电容器，但是制约超级电容器性能的不仅仅是比表面积还有孔径分布、碳材料表面官能团性质，因此商业活性炭超级电容器性能并不高。为了进一步改进电化学性能，在多孔碳材料中引入杂原子，如N、B、P或O等可以显著地改善其机械、导电或电化学性能。特别是N元素可部分取代C元素，使碳层中石墨微晶平面层产生诸多位错、弯曲、离位等具有不成对电子的缺陷位，同时氮原子的引入使材料表面具有碱性，可增强材料表面润湿性，提高材料性能。氮掺杂多孔碳具有高的比表面积、丰富的孔隙结构和大量的表面含氮官能团，从而赋予该材料独特的机械、电子、储能等性质，使其广泛用于超级电容器的电极材料。目前多孔碳材料的合成方法很多主要归为两类：模板法和活化法。通过传统模板法制备的碳材料的孔径单一，微孔含量低且存在操作复杂、制备时间长和难以保障碳材料的纯度等缺点。因此，活化法成为研究者们制备多孔结构和高比表面积碳材料的研究热点之一。Sudhan等人通过KOH活化法，以稻草为碳源，制备出比表面积为1007m2g−1的多孔碳材料，用作三电极测试时在190Ag−1电流密度下比电容高达332Fg−1[EnergyFuels2017,31,977−985]。该方法选用的廉价的生物质作为碳源且合成方法简单，但是所制备的多孔碳材料的微孔含量较小，孔径分布广，比表面积较低，选用的活化剂量较大，在高电流密度下比容量下降较快，在10Ag−1电流密度下的比容量仅为190Fg−1，而且所选用稻草为碳源不利于标准化生产。因此，寻求一种制备方法简单、比表面积大、孔结构丰富、适当的氮含量且实用性强的碳材料成为当前研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过提高多孔碳材料的比表面积，优化其孔径分布，改善其作为电极材料的比容量有限、循环不稳定等问题，同时解决目前的高容量电极材料制备过程复杂、原料昂贵且不标准化，难以大规模生产的问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案利用葡萄糖为碳源，氨基脲或脲嘧啶为氮源，采用碱性无机物KOH等为活化剂，利用化学活化法合成稳定的三维多孔碳材料。氨基脲或脲嘧啶作为高含氮量的氮源，不仅可以将氮元素成功地掺杂在碳材料中，还可以作为造孔剂，在碳化过程中和碳前驱体发生热解反应，从而提高碳材料的微孔含量、氮含量和导电性能，从而尽可能增大材料的比表面积，形成大面积的双电层，提高双电层电容器的性能。实现本专利技术目的的具体技术方案是：氮掺杂多孔结构碳材料，由葡萄糖和含氮化合物按质量比为1.0：（0.5~4.0）混合反应后，通过碱性无机物活化方法制备而成，其比表面积较高范围在845~3277m2g-1，平均孔径分布均一，分布在1.76-1.97nm微孔范围内，且微孔含量超过95%。氮掺杂多孔结构碳材料的制备方法，包括以下步骤：步骤（1），将葡萄糖与含氮化合物按质量比为1.0：（0.5~4.0）加入到去离子水中搅拌去离子水中搅拌溶解后，放入反应釜中反应、过滤、洗涤、烘干得到含氮前驱体；步骤（2），将含氮前驱体和氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、氯化锌中的任意一种或两种混合的碱性无机物按质量比为1.0：（1.0~4.0）混合浸泡在去离子水中，烘干后放进管式炉中在氮气保护活化温度为600~900℃，活化时间为1~6小时下煅烧活化得到氮掺杂改性的多孔碳材料；步骤（3），将上述氮掺杂改性的多孔碳材料用盐酸溶液浸泡，经过洗涤、过滤，烘干、研磨得到氮掺杂多孔结构碳材料。本专利技术针对现有技术的不足，以氨基脲和脲嘧啶为新型的氮源、廉价的且有利于标准化生产的葡萄糖为碳源，采用简单易大规模生产的活化法制备高比表面积的氮掺杂多孔材料。在高温下，碱性无机物对碳材料进行刻蚀，形成微孔，刻蚀产生的气体以及氮源的分解作用均有利于形成丰富的孔结构和增加比表面积，最终形成了氮掺杂多孔结构碳材料。当其用作超级电容器电极材料时，多孔碳材料中的微孔主要提供较大比表面，中孔为电解液离子的传输通道，大孔结构可以起到电解液缓冲池的作用，实现了超级电容器电极良好的倍率性能，在20Ag-1的电流密度下比容量仍保持在272Fg-1。本专利技术的氮掺杂多孔结构碳材料对于现有技术，具有以下优点：一、本专利技术所用原料市售可得，成本低廉，有利于实现大规模的标准化生产；二、本专利技术中利用氨基脲为氮源在高温状态发生分解，有利于形成更多的微孔，且可在碳壁上掺入不同种类的氮原子，为超级电容器提供更多的双电层电容和赝电容。三、本方法制备的氮掺杂多孔碳材料具有高的比表面积，范围在845~3277m2g-1、丰富的微孔和介孔结构、较高的含氮量（3.55~5.89%）、平均孔径分布均一，分布在1.76-1.97nm微孔范围内，且微孔含量超过95%，有利于增加比表面积，从而提高超级电容器的双电层电容器的性能。四、作为超级电容器电极材料的应用，当电流密度为0.5Ag-1时，比电容值范围在224~383Fg-1，且具有良好的循环稳定性和倍率性能。因此，本专利技术在超级电容器、锂离子电池等领域具有广阔的应用前景。附图说明图1为氮掺杂多孔结构碳材料的扫描电子显微图像图；图2为氮掺杂多孔结构碳材料的低温氮气等温吸附曲线；图3为氮掺杂多孔结构碳材料的孔径分布曲线；图4为无掺杂多孔结构碳材料的低温氮气等温吸附曲线；图5为无掺杂多孔结构碳材料的孔径分布曲线；图6为无掺杂多孔结构碳材料在不同电流密度的充放电循环性能曲线；图7为氮掺杂多孔结构碳材料在不同电流密度的充放电循环性能曲线；图8为氮掺杂多孔结构碳材料的电容循环伏安图；图9为氮掺杂多孔结构碳材料在10Ag-1电流密度下的循环测试。具体实施方式本专利技术通过实施例，结合说明书附图对本
技术实现思路
作进一步详细说明，但不是对本专利技术的限制。实施例葡萄糖与氨基脲质量比为4:2的氮掺杂多孔结构碳材料的制备方法如下：步骤（1），将4g葡萄糖与2g氨基脲分别加入到去离子水中搅拌溶解，之后放入反应釜中180℃反应，之后将产物过滤、洗涤、烘干得到含氮前驱体；步骤（2），将含氮前驱体和KOH按1.0：2.0的质量比混合浸泡去离子水中搅拌，放入鼓风干燥箱中干燥，之后在氮气保护下700℃煅烧2h，降温后取出焙烧后样品研磨；步骤（3），将上述产物用1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂多孔结构碳材料，其特征在于：所述氮掺杂多孔结构碳材料由葡萄糖和含氮化合物按一定质量比反应，通过碱性无机物活化方法制备而成。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂多孔结构碳材料，其特征在于：所述氮掺杂多孔结构碳材料由葡萄糖和含氮化合物按一定质量比反应，通过碱性无机物活化方法制备而成。2.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔结构碳材料，其特征在于：所述氮掺杂多孔结构碳材料的比表面积其范围在845~3277m2g-1，平均孔径分布均一，分布在1.76-1.97nm微孔范围内，且微孔含量超过95%。3.根据权利要求1所述氮掺杂多孔结构碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤（1），将葡萄糖与含氮化合物按一定质量比依次加入到一定量的去离子水中搅拌溶解后，放入反应釜中反应、过滤、洗涤、烘干得到含氮前驱体；步骤（2），将含氮前驱体和碱性无机物按一定质量比混合，浸泡在去离子水中，烘干后放进管式炉中在氮气保护下煅烧活化得到氮掺杂改性的多孔碳材料；步骤（3），将上述氮掺杂改性的多孔碳材料用...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚海亮，邵春风，邱树君，伍桂明，邹勇进，向翠丽，孙立贤，徐芬，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45