一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用。本发明专利技术所提供的自掺氮多级孔碳材料以含氮水生植物为前驱体，通过高温活化法合成，具有微孔、介孔和大孔的三级孔道结构，比表面积大，含有杂原子氮，可作为超级电容器电极的理想材料，在碱性电解液中比电容可达250～290F/g，可重复3000次以上充放电循环。且本发明专利技术的掺氮多级孔碳材料制备方法中前驱体来源于实际生活中的含氮水生植物，成本低；无需添加外源含氮单体或后处理氮改性，更加高效、环保。

Self doped nitrogen multistage porous carbon material and preparation method and application thereof

The invention discloses a self - doped nitrogen multistage porous carbon material and a preparation method and application thereof. The self-doped multi-stage porous carbon material provided by the present invention is synthesized by high-temperature activation method with nitrogen-containing aquatic plants as precursors. It has three-stage pore structure of micro-pore, mesopore and macropore, large specific surface area, containing heteroatom nitrogen, and can be used as an ideal electrode material for supercapacitors. Its specific capacitance in alkaline electrolyte can reach 250-29. 0F/g, repeat charge discharge cycle more than 3000 times. In the preparation method of the nitrogen-doped multi-stage porous carbon material, the precursor comes from the nitrogen-containing aquatic plants in real life, and the cost is low, and the nitrogen-containing monomer or the post-treatment nitrogen modification is not needed, so the precursor is more efficient and environmental friendly.

【技术实现步骤摘要】
一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及超级电容器电极材料领域，特别是涉及一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
煤、石油等不可再生能源日益枯竭，且带来了严重的环境问题。各国科学家正致力于开发新型可循环绿色能源储存设备(如电池和超级电容器)。超级电容器作为一种独特的能源储存设备，具有充电时间短，寿命长，稳定性高，环境友好等优点。超级电容器的核心部件是其电极；其中，碳材料类电极由于其低成本、易改性、高导电率等优势成为制备电极材料的热门。目前限制碳材料电极大规模商业应用的主要原因在于其电化学性能相对较差。为进一步提高多孔碳材料电极性能，一方面需要增加碳材料比表面积，丰富孔类型(微孔、介孔和大孔)，其中，微孔利于电解质离子的储存，而介孔和大孔可以为电解液的快速传输提供通道。另一方面，在碳电极中掺加氮(N)、硼(B)、硫(S)等杂原子，可以提高材料湿润性，降低电解液传输阻力。此外，杂原子还能与电解液发生氧化还原反应，从而产生赝电容，提高电极材料性能。其中，杂原子N被认为最有效而受到广泛应用；目前合成多级孔碳材料的方法一般为模板法和活化法相结合，需要繁琐的步骤；还有一种掺杂N等杂原子的方法主要为添加外源含氮单体(三聚氰胺)或后处理法(氨气)，工艺复杂，产生二次污染，成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中多孔碳材料电极电化学性能差，工艺复杂，成本高且污染大的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种自掺氮多级孔碳材料，包括以下步骤的方法制备得到：(1)对含氮水生植物进行烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末；(2)对所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得到混合物；(3)对所述混合物进行高温热解，得到碳材料；(4)采用洗脱液对所述碳材料进行碱洗以及酸洗，去掉所述碳材料中的杂质和活化剂，得到洗脱后的碳材料粉末；(5)利用去离子水对所述洗脱后的碳材料粉末进行冲洗，得到冲洗后的碳材料粉末；(6)对所述冲洗后的碳材料粉末进行烘干，得到自掺氮多级孔碳材料。可选的，所述自掺氮多级孔碳材料含有杂原子N含量为1.6％～3.3％；所述自掺氮多级孔碳材料为三级孔结构，所述三级孔结构为微孔、介孔以及大孔；所述自掺氮多级孔碳材料的比表面积为1500～1800m2/g；所述微孔的面积为1200～1300m2/g；所述介孔的面积为300～500m2/g；孔容为0.5～0.9cm3/g。一种自掺氮多级孔碳材料的制备方法，包括：(1)对含氮水生植物进行烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末；(2)对所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得到混合物；(3)对所述混合物进行高温热解，得到碳材料；(4)采用洗脱液对所述碳材料进行碱洗以及酸洗，去掉所述碳材料中的杂质和活化剂，得到洗脱后的碳材料粉末；(5)利用去离子水对所述洗脱后的碳材料粉末进行冲洗，得到冲洗后的碳材料粉末；(6)对所述冲洗后的碳材料粉末进行烘干，得到自掺氮多级孔碳材料。可选的，所述步骤(1)中烘干温度范围为65～100℃，烘干时间范围为8～12h，所用粉碎机功率范围为600W～1000W，过筛目数范围为20～50目。可选的，所述步骤(2)中所述活化剂为碳酸氢钾、氢氧化钾或氯化锌；所述含氮水生植物粉末与所述活化剂混合质量比为1：1～4，球磨机功率范围为300W～600W，球磨时间范围为30～70min。可选的，所述步骤(3)中的热解温度范围为600～900℃，热解时间范围为2～5h，升温速率范围为4～10℃/min。可选的，所述步骤(4)中的所述洗脱液为氢氧化钠和盐酸，所述洗脱液的浓度范围为0.1～0.5mol/L；碳材料与单次洗脱液的质量比为1:50～100，洗脱时间范围为1～4h。可选的，所述步骤(6)中的烘干温度范围为65～100℃，烘干时间范围为8～12h。一种自掺氮多级孔碳材料的应用，包括：将所述自掺氮多级孔碳材料与导电剂、粘结剂以及无水乙醇进行混合，得到混合物料；将所述混合物料涂覆在集流体上，干燥得到超级电容器电极；所述自掺氮多级孔碳材料由以下步骤的方法制备得到：将水生植物含氮水生植物烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末；将所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得到混合物；将所述混合物进行高温热解，得到碳材料；采用洗脱液对所述碳材料进行碱洗以及酸洗，去掉所述碳材料中的杂质和活化剂，得到洗脱后的碳材料粉末；将所述洗脱后的碳材料粉末烘干，得到自掺氮多级孔碳材料。可选的，所述自掺氮多级孔碳材料、所述导电剂以及所述粘结剂的质量比为5～8：0.5～1：0.5～1。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供了一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用，本专利技术所提供的自掺氮多级孔碳材料含有丰富的氮元素，能够提高材料润滑性和作为电极材料的赝电容；且本专利技术利用含氮水生植物为碳前驱体，该氮元素为含氮水生植物自身含有，无需添加外援氮前驱体和后续氨气(NH3)处理，成本低，工艺简单；本专利技术所提供的自掺氮多级孔碳材料具有很高的比表面积，同时含有微介、介孔和大孔结构，作为电极材料可提供大量的电解质储存空间以及快速运输的孔道；本专利技术提供的自掺氮多级孔碳材料可应用于超级电容器电极中，在碱性电解液中比电容可达250～290F/g，且可重复3000次以上充放电循环，提高了电化学性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术所提供的自掺氮多级孔碳材料制备方法流程图；图2为本专利技术实施例1制得的自掺氮多级孔碳材料的扫描电镜图；图3为本专利技术实施例1制得的自掺氮多级孔碳材料的XPS谱图；图4为本专利技术实施例2所提供的自掺氮多级孔碳材料电极循环伏安(CyclicVoltammetry，CV)图。图5为本专利技术实施例5所提供的自掺氮多级孔碳材料电极循环充放电图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用，能够提高多孔碳材料电极的电化学性能，简化制作工艺，降低污染与成本。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术所提供的自掺氮多级孔碳材料制备方法流程图，如图1所示，一种自掺氮多级孔碳材料的制备方法，包括：步骤101：对含氮水生植物进行烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末。所述步骤101中烘干温度范围为65～100℃，烘干时间范围为8～12h，所用粉碎机功率范围为600W～1000W，过筛目数范围为20～50目。所述含氮水生植物包括狐尾藻、黄花水龙、水芹、黄菖蒲和鸢尾等。步骤102：对所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自掺氮多级孔碳材料，其特征在于，根据以下步骤的方法制备得到：(1)对含氮水生植物进行烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末；(2)对所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得到混合物；(3)对所述混合物进行高温热解，得到碳材料；(4)采用洗脱液对所述碳材料进行碱洗以及酸洗，去掉所述碳材料中的杂质和活化剂，得到洗脱后的碳材料粉末；(5)利用去离子水对所述洗脱后的碳材料粉末进行冲洗，得到冲洗后的碳材料粉末；(6)对所述冲洗后的碳材料粉末进行烘干，得到自掺氮多级孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种自掺氮多级孔碳材料，其特征在于，根据以下步骤的方法制备得到：(1)对含氮水生植物进行烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末；(2)对所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得到混合物；(3)对所述混合物进行高温热解，得到碳材料；(4)采用洗脱液对所述碳材料进行碱洗以及酸洗，去掉所述碳材料中的杂质和活化剂，得到洗脱后的碳材料粉末；(5)利用去离子水对所述洗脱后的碳材料粉末进行冲洗，得到冲洗后的碳材料粉末；(6)对所述冲洗后的碳材料粉末进行烘干，得到自掺氮多级孔碳材料。2.根据权利要求1所述的自掺氮多级孔碳材料，其特征在于，所述自掺氮多级孔碳材料含有杂原子N含量为1.6％～3.3％；所述自掺氮多级孔碳材料为三级孔结构，所述三级孔结构为微孔、介孔以及大孔；所述自掺氮多级孔碳材料的比表面积为1500～1800m2/g；所述微孔的面积为1200～1300m2/g；所述介孔的面积为300～500m2/g；孔容为0.5～0.9cm3/g。3.一种自掺氮多级孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括：(1)对含氮水生植物进行烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末；(2)对所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得到混合物；(3)对所述混合物进行高温热解，得到碳材料；(4)采用洗脱液对所述碳材料进行碱洗以及酸洗，去掉所述碳材料中的杂质和活化剂，得到洗脱后的碳材料粉末；(5)利用去离子水对所述洗脱后的碳材料粉末进行冲洗，得到冲洗后的碳材料粉末；(6)对所述冲洗后的碳材料粉末进行烘干，得到自掺氮多级孔碳材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中烘干温度范围为65～100℃，烘干时间范围为8～12h，所用粉碎机...

【专利技术属性】
技术研发人员：申锋，漆新华，
申请(专利权)人：农业部环境保护科研监测所，
类型：发明
国别省市：天津,12