具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料的合成方法技术

本发明专利技术公开了一种具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料的合成方法，主要在商业化三聚氰胺海绵孔内引入氧化碳纳米管，并在其表面聚合包覆聚苯胺，通过高温热解处理制备具有特殊交联空球形貌的氮掺杂碳材料，具体技术方案要点为：将氧化碳纳米管分散液加入到苯胺单体的酸性溶液中，加入氧化剂过硫酸铵引发苯胺在碳纳米管的聚合反应，将三聚氰胺海绵浸泡到上述溶液中，在海绵孔内形成沉积聚苯胺的氧化碳纳米管，经过高温热解碳化处理制备交联空球状氮掺杂碳材料。所制备氮掺杂碳材料通过碳纳米管交联，有助于获得较高导电性，氮掺杂碳材料的碳氮骨架能提供良好电容性和催化活性，在传统酸性电解质和氧化还原电解质体系中均能提供良好电容性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容器电极材料的合成
，具体涉及一种具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料的合成方法。
技术介绍
多孔碳材料由于具有较高比表面积、良好的化学惰性以及一定的导电性和力学性能，在吸附、催化、分离以及电化学电极材料领域有广泛应用前景。因此，各种不同前驱体以及不同的制备方法都被广泛用于制备多孔碳材料。异质元素的掺杂能有效调控碳材料表面极性和电子构型，同时能调节碳材料的功函，因此赋予碳材料表面氧化还原活性、催化活性以及亲水性，在催化、电化学方面有巨大开发潜力。氮元素是一种重要的富电子掺杂元素，在碳基体中，氮元素以吡啶型、吡咯型、石墨型等形式存在，这些氮元素能明显提高碳质材料的氧化还原活性、催化活性以及导电性，因此在电化学催化及能源材料方面有更优越的应用性能。氮掺杂碳材料的合成主要包括含氮前驱体的热解处理以及碳质材料的功能化修饰，其中前者前驱体选择面较宽，制备方法简单，适合大规模生产，而且氮元素能掺入碳基体的表面和体相内部，可更有效调控碳材料结构表面特性及应用性能。采用合适前驱体和合理合成路径制备氮掺杂碳材料，探讨其在电化学储能领域的应用有重要意义。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料的合成方法，这种相互交联的中空氮掺杂碳材料具有较大表面积和多维导电通道，在电化学储能器件如超级电容器电极材料以及锂离子电池负极材料等方面有较好的应用前景。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料的合成方法，其特征在于具体步骤为：步骤（1），配制摩尔浓度为1mol/L的酸溶液，取100mL酸溶液冰浴冷却后加入0.2mL苯胺单体得到溶液A，另取100mL酸溶液冰浴冷却后加入0.12g过硫酸铵得到溶液B；步骤（2），将1-3mg氧化碳纳米管（通过体积比浓硫酸：浓硝酸=1:3的混酸沸煮商业多层碳纳米管，以下同上）超声分散于1mL去离子水中形成悬浮液，将该悬浮液加入到溶液A中于冰浴条件下搅拌10min得到溶液C，然后将溶液B加入到溶液C中搅拌2min形成均匀分散液；步骤（3），将一块尺寸为1cm×2cm×3cm的三聚氰胺海绵放入上述均匀分散液中，然后置于冰浴条件下反应24-48h，在三聚氰胺海绵孔内形成沉积聚苯胺的氧化碳纳米管，再用去离子水冲洗至冲洗液为无色得到绿色的三聚氰胺海绵；步骤（4），将绿色的三聚氰胺海绵放入烘箱中烘干，然后置于管式炉中在氮气气氛中于600-800℃煅烧1-2h得到具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料。进一步优选，步骤（1）中所述的酸溶液为硫酸溶液或盐酸溶液。本专利技术用到的三聚氰胺海绵含有丰富氮元素，可以通过煅烧制作氮掺杂碳材料，氧化碳纳米管表面沉积的芳香性聚苯胺也可以作为良好前驱体制作氮掺杂碳材料，碳纳米管同时可以作为良好的导电通道，因此所合成的聚苯胺中空氮掺杂碳球可通过碳纳米管有效连接，能提高材料的整体导电性；同时所合成材料的框架结构含有丰富的大孔，有利于电解质的快速扩散渗透，因此这类材料可用作超级电容器的电极材料。此外，所制备的碳质材料中掺杂的氮元素能降低碳骨架的功函，从而提高其催化活性。因此，这类材料也可以用作高性能催化电极材料，促进电极表面电解质的氧化还原反应，在超级电容器中能通过电解质的赝电容贡献显著提高电极总体比容。附图说明图1是本专利技术实施例2制得的氮掺杂碳材料的扫描电镜图；图2是本专利技术实施例1、2、3所制得的电极在1mol/L的H2SO4电解质中的循环伏安曲线；图3是本专利技术实施例2所制得的电极在含有0.025mol/L、0.05mol/L、0.075mol/L邻苯二酚的1mol/L的H2SO4电解质中的循环伏安曲线；图4是本专利技术实施例4制得的氮掺杂碳材料的扫描电镜图。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例1配制摩尔浓度为1mol/L的盐酸溶液，取100mL盐酸溶液冰浴冷却后加入0.2mL苯胺单体得到溶液A，另取100mL盐酸溶液冰浴冷却后加入0.12g过硫酸铵得到溶液B；将1mg氧化碳纳米管超声分散于1mL去离子水中形成悬浮液，将该悬浮液加入到溶液A中于冰浴条件下搅拌10min得到溶液C，然后将溶液B加入到溶液C中搅拌2min形成均匀分散液；将一块尺寸为1cm×2cm×3cm的三聚氰胺海绵放入上述均匀分散液中，然后置于冰浴条件下反应24h，在三聚氰胺海绵孔内形成沉积聚苯胺的氧化碳纳米管，再用去离子水冲洗至冲洗液为无色得到绿色的三聚氰胺海绵；将绿色的三聚氰胺海绵放入烘箱中烘干，然后置于管式炉中在氮气气氛中于600℃煅烧2h得到氮掺杂碳材料。将所合成的氮掺杂碳材料与乙炔黑和偏聚二氟乙烯粘结剂按照质量比为80:15:5的比例制成浆料，均匀涂在不锈钢集流体表面形成活性面积为1cm2的电极，图2为该电极在三电极体系中测试电极在1mol/L的H2SO4电解质中的循环伏安曲线，可以看出该电极主要呈现出双电层电容特征，该电极在1A/g电流密度下的比容为136F/g。实施例2配制摩尔浓度为1mol/L的盐酸溶液，取100mL盐酸溶液冰浴冷却后加入0.2mL苯胺单体得到溶液A，另取100mL盐酸溶液冰浴冷却后加入0.12g过硫酸铵得到溶液B；将1mg氧化碳纳米管超声分散于1mL去离子水中形成悬浮液，将该悬浮液加入到溶液A中于冰浴条件下搅拌10min得到溶液C，然后将溶液B加入到溶液C中搅拌2min形成均匀分散液；将一块尺寸为1cm×2cm×3cm的三聚氰胺海绵放入上述均匀分散液中，然后置于冰浴条件下反应48h，在三聚氰胺海绵孔内形成沉积聚苯胺的氧化碳纳米管，再用去离子水冲洗至冲洗液为无色得到绿色的三聚氰胺海绵；将绿色的三聚氰胺海绵放入烘箱中烘干，然后置于管式炉中在氮气气氛中于800℃煅烧2h得到氮掺杂碳材料，如图1所示，该氮掺杂碳材料具有特殊交联空球状结构。将所合成的氮掺杂碳材料按实施例1组装三电极测试体系，从图2循环伏安曲线可以看出，该电极主要呈现出双电层电容特征，该电极在1A/g电流密度下1mol/L的H2SO4电解质条件下的比容为304F/g。同时，在H2SO4电解质中引入不同浓度的邻苯二酚氧化还原活性成分，电极对邻苯二酚的氧化还原反应有明显促进作用（图3），当电解质中邻苯二酚浓度为0.05mol/L时，邻苯二酚能提供最大赝电容，可将氮掺杂碳电极比容提高至403F/g。实施例3配制摩尔浓度为1mol/L的盐酸溶液，取100mL盐酸溶液冰浴冷却后加入0.2mL苯胺单体得到溶液A，另取100mL盐酸溶液冰浴冷却后加入0.12g过硫酸铵得到溶液B；将2mg氧化碳纳米管超声分散于1mL去离子水中形成悬浮液，将该悬浮液加入到溶液A中于冰浴条件下搅拌10min得到溶液C，然后将溶液B加入到溶液C中搅拌2min形成均匀分散液；将一块尺寸为1cm×2cm×3cm的三聚氰胺海绵放入上述均匀分散液中，然后置于冰浴条件下反应48h，在三聚氰胺海绵孔内形成沉积聚苯胺的氧化碳纳米管，再用去离子水冲洗至冲洗液为无色得到绿色的三聚氰胺海绵；将绿色的三聚氰胺海绵放入烘箱中烘干，然后置于管式炉本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料的合成方法，其特征在于具体步骤为：步骤（1），配制摩尔浓度为1mol/L的酸溶液，取100mL酸溶液冰浴冷却后加入0.2mL苯胺单体得到溶液A，另取100mL酸溶液冰浴冷却后加入0.12g过硫酸铵得到溶液B；步骤（2），将1‑3mg氧化碳纳米管超声分散于1mL去离子水中形成悬浮液，将该悬浮液加入到溶液A中于冰浴条件下搅拌10min得到溶液C，然后将溶液B加入到溶液C中搅拌2min形成均匀分散液；步骤（3），将一块尺寸为1cm×2cm×3cm的三聚氰胺海绵放入上述均匀分散液中，然后置于冰浴条件下反应24‑48h，在三聚氰胺海绵孔内形成沉积聚苯胺的氧化碳纳米管，再用去离子水冲洗至冲洗液为无色得到绿色的三聚氰胺海绵；步骤（4），将绿色的三聚氰胺海绵放入烘箱中烘干，然后置于管式炉中在氮气气氛中于600‑800℃煅烧1‑2h得到具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料。

【技术特征摘要】
1.具有特殊交联空球状氮掺杂碳材料的合成方法，其特征在于具体步骤为：步骤（1），配制摩尔浓度为1mol/L的酸溶液，取100mL酸溶液冰浴冷却后加入0.2mL苯胺单体得到溶液A，另取100mL酸溶液冰浴冷却后加入0.12g过硫酸铵得到溶液B；步骤（2），将1-3mg氧化碳纳米管超声分散于1mL去离子水中形成悬浮液，将该悬浮液加入到溶液A中于冰浴条件下搅拌10min得到溶液C，然后将溶液B加入到溶液C中搅拌2min形成均匀分散液；步骤（3），将一块尺寸为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：高志永，刘晓，徐芳，武大鹏，蒋凯，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南;41