一种多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法技术

一种多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法，具体步骤如下：在酸性水溶液中，将致孔剂与氮源材料的前驱体在氧化剂的作用下，通过化学氧化法制备得到致孔剂/氮源材料的复合体；将复合体在惰性气体保护下，高温碳化得到氮掺杂碳材料；通过刻蚀溶液，除去致孔剂，真空干燥得到多孔氮掺杂碳电极材料。本发明专利技术所用致孔剂来源广泛、价格低廉；所用的机械搅拌和超声波并用的分散方式分散效果显著；本制备工艺简单、成本低廉，产物导电性、循环稳定性和热稳定性好，可应用到超级电容器中。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法
本专利技术涉及一种多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法。属于超级电容器电极材料制备领域，
技术介绍
超级电容器作为一种新型的储能装置，以其高功率密度、长使用寿命和快充放电速度等优点被广泛用于混合电动汽车和便携式电子设备，已成为近年来的研究热点。活性炭、碳纳米管和碳气凝胶等碳材料是超级电容器中常见的电极材料，具有良好的导电性和稳定性等优点。但是将碳材料组装成超级电容器时，其比电容值较小，从而限制其工业发展。通过向碳材料表面引入官能团或杂原子(O、N、B、S)是提高电极材料电容值的一个有效的方法。其中氮是碳材料掺杂的理想元素，通过氮掺杂可以有效地改善碳纳米材料的力学、电化学、催化、吸附等性能。高聚物进行热解处理是制备氮掺杂碳材料的有效方法之一。其中，聚苯胺因具有含氮丰富、形貌可控、价格低廉而成为理想的氮源。目前，申请号为CN201810017931.0公布了一种氮磷硫共掺杂的介孔碳球及其制备方法，利用聚苯胺掺杂有机酸-植酸为碳前驱体，纳米二氧化硅溶胶为致孔剂，制备得到氮、磷、硫三种杂原子共掺杂的碳材料。申请号为CN201610548972.3提供了一种二氧化硅修饰的多球腔碳材料的制法，首先以正硅酸乙酯为原料制备得到二氧化硅小球，以该二氧化硅小球为致孔剂制备得到二氧化硅/聚苯胺复合材料。在所报道的多孔杂原子掺杂碳材料的制备方法中，二氧化硅溶胶、SBA-15等是常用的致孔剂。然而，这些致孔剂材料价格较为昂贵，制备条件较为苛刻，在实际的应用中受到了一定的限制。本专利技术主要是将经济成本低廉的纳米二氧化硅作为致孔剂，在二氧化硅、质子酸、苯胺分子、聚苯胺大分子间的氢键作用力和静电力的双重组装作用下，制备得到多孔氮掺杂碳电极材料，并获得了较好的电化学效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于超级电容器的多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法。多孔氮掺杂碳电极材料为氮元素掺杂和多孔结构的特殊复合材料。多孔结构提高了电极材料与电解质的接触面积，利于离子的快速交换。氮元素掺杂后，所得电极材料的能量储存功能得到极大提高。为了实现上述目的，本专利技术所述的多孔氮掺杂碳电极材料通过以下步骤获得：(1)致孔剂/氮源材料复合体的制备；(2)氮掺杂碳材料的制备；(3)多孔氮掺杂碳材料的制备。步骤(1)所述的致孔剂是指不同粒径的二氧化硅及其衍生物。步骤(1)所述的氮源材料是指含氮元素的聚苯胺、聚吡咯及其衍生物。步骤(1)所述的致孔剂/氮源材料复合体的制备是指将致孔剂分散在0.05～2molL-1的酸性水溶液中，超声分散0.5～2h，其浓度为5～25wt％，超声频率为30～50kHz，所述酸性水溶液为盐酸、硫酸、高氯酸或十二烷基苯磺酸的水溶液；在上述混合溶液中加入氮源材料的前驱体，混合溶液的温度控制在0～4℃，在一种新型的搅拌方式下分散0.5～2h，氮源材料的前驱体的浓度为0.05～0.5molL-1，氮源材料的前驱体可以是苯胺、吡咯及其衍生物；将氧化剂分散在0.05～2molL-1的酸性水溶液中，0～4℃下冷藏0.5～2h，氧化剂的浓度为0.05～0.5molL-1，所述氧化剂为过硫酸铵、过硫酸钾和过氧化氢；在一种新型的搅拌方式下，在含氮源材料的前驱体的混合液中逐滴加入氧化剂混合溶液，保持温度为0～4℃；待氧化剂滴加完毕后，在一种新型的搅拌方式下，反应时间为0.5～2h。反应结束后，将混合液依次用水和无水乙醇洗至滤液无色，真空干燥后得到致孔剂/氮源材料复合体。步骤(1)所述的一种新型的搅拌方式为机械搅拌和超声波并用的分散混合方式，机械搅拌转速为200～400rpm，超声波频率为30～50kHz。步骤(2)所述的氮掺杂碳材料的制备是指在惰性气体的保护下，将步骤(1)所述的致孔剂/氮源材料复合体放入管式马弗炉中，在700～1000℃下进行碳化3～8h，冷却后得到氮掺杂碳材料。步骤(2)所述的惰性气体为氮气或氩气。步骤(3)所述的多孔氮掺杂碳材料的制备是指将步骤(2)中所述的氮掺杂碳材料置于刻蚀溶液中浸泡30min～7h，除去致孔剂，经离心分离、真空干燥得到。步骤(3)所述的刻蚀溶液是指5～10wt％的氢氟酸溶液或0.25～1molL-1的热氢氧化钠水溶液。步骤(3)所述的热氢氧化钠水溶液是指温度为70～90℃的溶液。本专利技术的优点在于：本专利技术所用致孔剂具有来源广泛、价格低廉和工艺成熟等优点。本专利技术所用的机械搅拌和超声波并用的分散方式具有分散效果显著，提高反应效率和有效避免纳米颗粒的团聚现象等优点。本专利技术将氮源材料通过高温碳化得到氮掺杂碳材料具有操作简便，产率高等优点，可实现工业化。本专利技术的产品之所以可以工业化，是因为可以根据实际生产需要，在一定条件下任意加大原料(二氧化硅等)的量从而实现工业化生产。本专利技术得到的多孔氮掺杂碳材料具有工艺简单、成本低廉、导电性良好、循环稳定性好、热稳定性优异等优点，可作为电极材料应用到超级电容器中，具有良好的工业应用前景。附图说明图1为实施例1和实施例2氮掺杂碳材料在6M氢氧化钾水溶液中50mVs-1扫描速度下的循环伏安曲线，其中横坐标为电位，单位为V；纵坐标为电流，单位为Ag-1。图2为实施例1和实施例2氮掺杂碳材料在不同电流密度下的比电容值，其中横坐标为电流密度，单位为Ag-1；纵坐标为比电容值，单位为Fg-1。图3为实施例1中多孔氮掺杂碳材料的循环寿命测试曲线，其中横坐标为循环圈数；左侧纵坐标为比电容值，单位为Fg-1；右侧纵坐标为电容保持率，单位为％。图4为实施例1中PANI/SiO2(1:3)复合材料的扫描电镜图。图5为实施例1中N-HPC(1:3)电极材料的扫描电镜图。具体实施方式实施例1：(1)在机械搅拌转速为300rpm和超声波频率为40kHz并用的分散方式下，将平均粒径为20nm的二氧化硅分散在70mL1molL-1的盐酸水溶液中2h。在上述混合溶液中加入苯胺，混合溶液的温度控制在0℃，在机械搅拌转速为300rpm和超声波频率为40kHz并用的分散方式下混合0.5h，苯胺的浓度为0.5molL-1(苯胺与二氧化硅的质量比分别为1:2，1:3和1:4)；将过硫酸铵分散在1molL-1的盐酸水溶液中，0℃下冷藏0.5h，过硫酸铵的浓度为0.5mol/L。在机械搅拌转速为300rpm和超声波频率为40kHz的分散方式下，在含苯胺的混合液中逐滴加入过硫酸铵的混合溶液，保持温度为0℃；待过硫酸铵混合液滴加完毕后，在机械搅拌转速为300rpm和超声波频率为40kHz的分散方式下，控制反应温度0℃，反应12h后结束，将混合液依次用水和无水乙醇洗至滤液无色，真空干燥后得到致孔剂/氮源材料复合体，命名为PANI/SiO2(1:2)、PANI/SiO2(1:3)和PANI/SiO2(1:4)。(2)将致孔剂/氮源材料复合体在氮气的保护下，在800℃下进行碳化2h，冷却后得到氮掺杂碳材料，命名为N-C/SiO2(1:2)、N-C/SiO2(1:3)和N-C/SiO2(1:4)。(3)将氮掺杂碳材料置于20wt％的氢氟酸溶液中浸泡24h，离心分离，真空干燥得到多孔氮掺杂碳材料，命名为N-HPC(1:2)、N-HPC(1:3)和N-HPC(1:4)。图4所示为PANI/SiO2(1:3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔氮掺杂碳电极材料，其特征在于：该碳电极符合材料通过以下方法制得：步骤(1)致孔剂/氮源材料复合体的制备；步骤(2)氮掺杂碳材料的制备；步骤(3)多孔氮掺杂碳材料的制备。

【技术特征摘要】
1.一种多孔氮掺杂碳电极材料，其特征在于：该碳电极符合材料通过以下方法制得：步骤(1)致孔剂/氮源材料复合体的制备；步骤(2)氮掺杂碳材料的制备；步骤(3)多孔氮掺杂碳材料的制备。2.如权利要求1所述的碳电极材料，其特征在于：步骤(1)中：将致孔剂分散在0.05～2mol/L的酸性水溶液中，超声分散0.5～2h，致孔剂浓度为5～25wt％，超声频率为30～50kHz，在上述混合溶液中加入浓度为0.05～0.5mol/L的氮源材料前驱体，混合溶液的温度控制在0～4℃，在一种新型的搅拌方式下分散0.5～2h；将氧化剂分散在0.05～2mol/L的酸性水溶液中，0～4℃下冷藏0.5～2h，氧化剂的浓度为0.05～0.5mol/L；在一种新型的搅拌方式下，在含氮源材料的前驱体的混合液中逐滴加入氧化剂混合溶液，保持温度为0～4℃；待氧化剂滴加完毕后，在一种新型的搅拌方式下，反应时间为0.5～2h；反应结束后，将混合液依次用水和无水乙醇洗至滤液无色，真空干燥后得到致孔剂/氮源材料复合体。3.如权利要求1所述的碳电极材料，其特征在于：步骤(1)中：所述的新型的搅拌方式为机械搅拌和超声波并用的分散混合方式，机械搅拌转速为200～400rpm，超声波频率为30～50kHz。4.如权利要求1所述的碳电极材料，其特征在于：步骤(1)中：所述的致孔剂为不同粒径的二氧化硅及其衍生物；所述的酸性水溶液为盐酸、硫酸、高氯酸或十二烷基苯磺酸的水溶液；所述的氮源材料前驱体为含氮元素的聚苯胺、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：李培培，倪才华，张丽萍，石刚，桑欣欣，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32