一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺以及超级电容器电极的制备方法技术

本发明专利技术属于生物质碳材料的制备领域，具体公开了一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺以及超级电容器电极的制备方法，该工艺包括如下步骤：(1)原料的预处理；(2)生物质多孔氮掺杂碳材料的制备：将经预处理后的生物质原料放入反应器中，通入含有氨气、水蒸气和惰性气体的混合气体，维持温度在700～900℃，持续反应1～3h。本发明专利技术采用一次加热的方式一步实现上述的技术目的，制备方法简单，成本低，生产效率高且节约能源。本发明专利技术制备的生物质多孔氮掺杂碳材料，经测试，比表面积为900～1600m2g‑1，总孔体积0.4～0.9m3g‑1，氮含量0.9～3％，且具有优良的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺以及超级电容器电极的制备方法
本专利技术属于生物质碳材料的制备领域，具体涉及一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺以及超级电容器电极的制备方法。
技术介绍
活性炭材料具有大量的孔隙结构和巨大的比表面积，具有吸附能力强、物理化学性能稳定、失效后再生方便等特点，而被广泛应用于超级电容器、锂电池、气体吸附与分离、水体净化等前沿科技领域。在多孔碳材料中引入杂原子,如B、N、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，提高材料电容性能。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，而赋予该材料独特的机械、电子、光学、半导体、储能等性质。现有技术中，生物质碳作为超级电容器电极材料逐渐成为一个研究热点。中国专利CN102205963A公开了一种制备生物质基超级电容器用活性炭的生产方法，其具体步骤是：首先将生物质用一定浓度的无机酸水解，然后将得到的糖酸溶液在一定浓度下低温缩聚炭化以制备水热碳；将水热碳在高温下用磷酸或强碱进行活化处理得到超级电容器用活性炭。以上制备方法通常包括高温碳化、高温活化步骤，需要用到强酸、强碱等腐蚀性药品，能耗高、工艺复杂。马延问等(无机化学学报，2012，28:546-550)报道了用法国梧桐在氩气气氛下850℃碳化2小时制备碳微管的方法并用于超级电容器，该方法虽然无需活化过程，但不适合所有的植物原料。因此利用现有技术制备超级电容器用生物质活性炭储能材料还有一定的局限性，大规模推广比较困难。故开发一种原材料来源广泛，成本低廉，且简单易行的工艺来制备孔氮掺杂碳材料具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料工艺以及一种超级电容器的电极的制备方法。上述工艺具有简单，重复性好，成本低廉，环境友好等优点，且制备的多孔氮掺杂碳材料作为超级电容器的电极具有良好的电化学性能。上述目的是通过如下技术方案实现：一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，包括如下步骤：(1)原料的预处理：将生物质原料清洗、烘干、机械粉碎，然后过筛；(2)生物质多孔氮掺杂碳材料的制备：将经预处理后的生物质原料放入反应器中，通入含有氨气、水蒸气和惰性气体的混合气体，维持温度在700～900℃，持续反应1～3h，形成多孔氮掺杂碳材料。本专利技术针对现有技术中制备氮掺杂碳材料工艺的局限性，选取生物废弃物为碳源，在惰性保护气体中混合氨气和水蒸气，采用一次加热的方式在碳化的过程中同时进行氮掺杂和活化制孔，“一步”制备高比表面积的氮掺杂多孔碳材料。本专利技术采用的“一步”制备方法简单，成本低，生产效率高且节约能源。本专利技术制备的生物质多孔氮掺杂碳材料，经测试比表面积为900～1600m2g-1，总孔体积0.4～0.9m3g-1，氮含量0.9～3％；实验结果表明，使用其制备的超级电容器电极具有高比电容，理想的赝电容、高循环稳定性，性能优于商业活性碳的超级电容器性能以及大部分氮掺杂多孔碳材料。作为优选，进一步的技术方案是：所述混合气体为惰性气体通过铵盐溶液或氨水后的气体。如此设计，在惰性气体通过铵盐溶液和氨水的过程中，惰性气体会载入氮源氨气的同时也会载入部分水蒸汽。在原料碳化的过程中，氨气与碳发生氮掺杂反应，而水蒸气作为活化气体与碳反应，利于氮掺杂碳材料形成多孔结构。另外，此方法比直接用氨气，由于所用氮源为固体更加安全可靠，且采用铵盐溶液或氨水缓慢分解，源源不断进行掺杂，比固体混合方法，更加节省氮源。更为重要的是，可以通过控制惰性气体的流速、铵盐溶液或氨水的温度和浓度来控制混合气体中氨气和水蒸汽的量比，从而控制产品中的氮掺杂量以及孔体积，进而控制产品的结构和性能。进一步的技术方案是：所述氨气、水蒸汽和惰性气体的体积比1:1～3:100～200。进一步的技术方案是：所述氨气、水蒸气和惰性气体的体积比为1:2:150。进一步的技术方案是：所惰性气体的流速为250～350mLmin-1，所述铵盐溶液或氨水的温度为70～80℃，所述铵盐或氨水的浓度为0.8～1.5M。经试验证，此工艺条件下，能够将氨气、水蒸汽和惰性气体的体积比控制在最佳值，反应产物的性能更加优异。进一步的技术方案是：所述铵盐为碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、柠檬酸铵和氯化铵中一种或多种。一定温度和浓度的条件下，上述的铵盐溶液易分解产生氨气；当铵盐为碳酸氢铵和碳酸铵中的一种或两种时，其受热分解产物中有二氧化碳气体，与水蒸气一样，二氧化碳气体作为活化气体与碳反应，有利于氮掺杂碳材料形成多孔结构。进一步的技术方案是：所述惰性气体的流速为300mLmin-1，所述铵盐溶液或氨水的温度为75℃，所述铵盐或氨水的浓度为1.0M。进一步的技术方案是：所述步骤(2)中的反应温度为800℃。经大量实验验证，此反应温度下反应产物的性能尤佳。进一步的技术方案是：所述步骤(2)中的反应时间为2h。如此，一方面在保证反应充分进行，另一方面不至于反应时间过长而降低经济效益和效率。进一步的技术方案是：所述惰性气体为氮气或氩气；进一步的技术方案是：所述生物质材料为花瓣、树叶或树皮中一种或多种；进一步的技术方案是：所述步骤(1)中过筛所用筛子的目数为60目；如此，一方面保证材料细度，另一方面不至于粒径过小而浪费材料。进一步的技术方案是：所述反应器为管式炉。为达到上述技术目的，本专利技术还提供了一种超级电容器的电极的制备方法，首先将质量比为1:0.5～1.5:7～9的导电剂、粘结剂和上述任意一项所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺制备的生物质多孔氮掺杂碳材料混合均匀，添加溶剂调成泥浆状，将上述浆料涂覆于的导电衬底上烘干，在压力10～20Mp下压实，制备成超级电容器电极。作为优选，进一步的技术方案是：所述导电剂包括乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨、片状石墨、气相法生长碳纤维、碳纳米管、金属粉末、和金属纤维中的一种或任意两种以上的组合。进一步的技术方案是：所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺、乙烯-丙烯-二烯共聚树脂、苯乙烯丁二烯橡胶、聚丁二烯、氟橡胶、聚环氧乙稀、聚乙烯吡咯烷酮、聚酯树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、和羟丙基纤维素中的一种或任意两种以上的组合。进一步的技术方案是：所述溶剂包括水、醇类、聚醇类、萜类、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、和丙酸甲酯中的一种或任意两种以上的组合。进一步的技术方案是：所述导电剂为乙炔黑，所述粘结剂为聚四氟乙烯，所述溶剂为水，所述导电衬底为泡沫镍。进一步的技术方案是：所述导电剂、粘结剂和上述任意的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺制备的生物质多孔氮掺杂碳材料的质量比为1:1:8。进一步的技术方案是：所述压力为15MPa。进一步的技术方案是：所述涂覆的方法包括浸渍提拉法、刮涂法、旋涂法、喷涂法、丝网印刷法、和悬浮粒子浸涂法中的一种或任意两种以上的组合。进一步的技术方案是：所述导电衬底的大小为1平方厘米。综上所述，本专利技术利用廉价易得的花瓣、树叶或树皮中一种或多种为生物质原料，通过简单的预处理后，在碳化的同时进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，包括如下步骤：(1)原料的预处理：将生物质原料清洗、烘干、机械粉碎，然后过筛；(2)生物质多孔氮掺杂碳材料的制备：将经预处理后的生物质原料放入反应器中，通入含有氨气、水蒸气和惰性气体的混合气体，维持温度在700～900℃，持续反应1～3h，形成多孔氮掺杂碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，包括如下步骤：(1)原料的预处理：将生物质原料清洗、烘干、机械粉碎，然后过筛；(2)生物质多孔氮掺杂碳材料的制备：将经预处理后的生物质原料放入反应器中，通入含有氨气、水蒸气和惰性气体的混合气体，维持温度在700～900℃，持续反应1～3h，形成多孔氮掺杂碳材料；所述混合气体为惰性气体通过铵盐溶液或氨水后的气体。2.根据权利要求1所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述氨气、水蒸气和惰性气体的体积比为1:1～3:100～200。3.根据权利要求2所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述氨气、水蒸气和惰性气体的体积比为1:2:150。4.根据权利要求1所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所惰性气体的流速为250～350mLmin-1，所述铵盐溶液或氨水的温度为70～80℃，所述铵盐或氨水的浓度为0.8～1.5M。5.根据权利要求4所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述铵盐为碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、柠檬酸铵和氯化铵中一种或多种。6.根据权利要求5所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述惰性气体的流速为300mLmin-1，所述铵盐溶液或氨水的温度为75℃，所述铵盐或氨水的浓度为1.0M。7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述反应时间为2h。8.根据权利要求7所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述反应温度为800℃。9.根据权利要求1所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述惰性气体为氮气或氩气。10.根据权利要求1所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述生物质材料为花瓣、树叶或树皮中一种或多种。11.根据权利要求1所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述步骤(1)中过筛所用筛子的目数为60目。12.根据权利要求1所述的一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺，其特征在于，所述反应器为...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏晓林，魏同业，肖化平，杨利文，张祺，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43