一种超级电容器用氮掺杂碳纳米网的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超级电容器用氮掺杂碳纳米网的制备方法，属于炭材料制备技术领域。该方法以氨气为氮源，分别以氢氧化镁和氢氧化钾为模板和活化剂，以蒽为碳源。先将氢氧化镁和氢氧化钾混合均匀后加入蒽，之后将三者研磨混合均匀后的混合物转移至刚玉舟中，放置于水平管式炉内，并在氨气气氛下，加热制得氮掺杂碳纳米网。所得氮掺杂碳纳米网的比表面积介于1522～2018m2/g之间，总孔容介于0.86～1.16cm3/g之间。作为超级电容器电极材料，在6mol/L KOH电解液中，电流密度为0.05A/g时，其比容达362.9F/g；电流密度增大到20A/g时，其比容保持为252.9F/g,显示了超高的比容和很好的速率性能。

Preparation of nitrogen doped carbon nanogrid for supercapacitors

The invention discloses a preparation method of nitrogen-doped carbon nanonetwork for supercapacitor, belonging to the technical field of carbon material preparation. The method uses ammonia as nitrogen source, magnesium hydroxide and potassium hydroxide as template and activator respectively, and anthracene as carbon source. Magnesium hydroxide and potassium hydroxide were mixed evenly and then anthracene was added. Then the mixture after grinding and mixing was transferred to the corundum boat and placed in a horizontal tube furnace. The specific surface area of N-doped carbon Nanonetworks ranged from 1522 to 2018 m2/g, and the total pore volume ranged from 0.86 to 1.16 cm 3/g. As electrode material of supercapacitor, its specific capacitance reaches 362.9F/g when current density is 0.05A/g in 6mol/L KOH electrolyte, and remains 252.9F/g when current density increases to 20A/g, showing super high specific capacitance and good rate performance.

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容器用氮掺杂碳纳米网的制备方法
本专利技术属于炭材料制备
，具体涉及一种超级电容器用氮掺杂碳纳米网的制备方法。
技术介绍
超级电容器是一种新型储能器件，具有快的充放电速度、高的功率密度和长的循环寿命，在交通、能源、电动汽车等领域有广泛的应用前景。根据储电机制，超级电容器可以分为赝电容器和双电层电容器。电极材料在超级电容器中起着关键的作用，超级电容器用电极材料包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物。碳基材料因其好的电导率、高的比表面积和高的比容而引起人们的广泛关注。纯碳材料表面疏水，增大了电解液离子与碳材料的接触内阻，在很大程度上影响了其容量和速率性能。通过在碳材料表面引入官能团的方法对其表面进行改性，不仅能够有效改善其润湿性，而且可以提高其电导率，从而极大提高碳材料的容量和速率性能。目前常用的改性方法是将杂原子N、P、S、B等引入碳骨架中，使碳层中的石墨微晶产生缺陷位，同时杂原子掺杂在碳质网络的局部地方，对碳材料表面进行改性，从而达到提高碳材料电化学性能的目的。煤焦油是煤焦化过程中得到的一种黑色或黑褐色粘稠状液体。煤焦油组成复杂，主要由苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽、菲、芘等芳烃以及芳香族含氧含氮含硫的化合物等组成。蒽来源于煤焦油的蒸馏，是煤焦油高温蒸馏物，是检定茚和生产蒽醌、单宁的原料，也可以用来合成杀虫剂、染料、汽油凝固剂等。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种以氨气为氮源，以蒽为碳源，分别以廉价的氢氧化镁和氢氧化钾为模板和活化剂，直接制备超级电容器用氮掺杂碳纳米网的方法。该方法具体步骤如下：(1)反应物的预处理：先将片状的氢氧化镁与氢氧化钾分别研磨，接着将两者进行混合，混合均匀后，将所得的混合物与蒽研磨混合均匀，得到反应物；其中，氢氧化钾的质量占蒽、氢氧化镁和氢氧化钾三者混合物总质量的1/4～4/7，氢氧化钾与蒽的质量比介于1/1～4/1之间。(2)氮掺杂碳纳米网的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉舟中，然后将所述刚玉舟放置于水平管式炉的中间位置，通入氨气以排除炉中的空气，以5℃/min的升温速率将管式炉加热至220℃，恒温30min，继续以相同的升温速率加热到300℃保持30min，随后以相同的升温速率将管式炉加热至900℃，恒温1h，反应结束后自然降至室温，将得到的产物取出、研磨粉碎，经酸洗、蒸馏水洗涤至中性，置于鼓风干燥箱中于110℃恒温干燥12h，得到氮掺杂碳纳米网。进一步的，所述蒽的质量为5g，氢氧化镁的质量为10g，氢氧化钾的质量为15g。此时制备的氮掺杂碳纳米网用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，其比容为362.9F/g；在20A/g电流密度下，其比容为252.9F/g。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：1、本专利技术是以氨气为氮源，以纯蒽为碳源，分别以氢氧化镁和氢氧化钾为模板和活化剂，直接制得超级电容器用氮掺杂碳纳米网。所制备的氮掺杂碳纳米网的比表面积可达到2018m2/g，总孔容可达到1.16cm3/g。2、本专利技术省去了现有技术制备纳米金属氧化物模板等繁琐步骤，也省去了先合成碳纳米网，再进行氮掺杂的复杂步骤，具有工艺简单、成本低等优点。同时实现了芳香性蒽的高附加值利用。3、本专利技术所制备的氮掺杂碳纳米网电极材料，在6mol/LKOH水系电解液中，在电流密度为0.05A/g时，其比容达到362.9F/g；电流密度增大到20A/g时，其比容保持为252.9F/g，显示了很高的容量和极好的速率性能。附图说明图1为本专利技术实施例1、2、3、4制备的氮掺杂碳纳米网的氮吸脱附等温线。图2为本专利技术实施例3制备的氮掺杂碳纳米网的透射电镜照片。图3为本专利技术实施例3制备的氮掺杂碳纳米网的氮元素组成图。图4为本专利技术实施例3制备的氮掺杂碳纳米网的结构示意图。图5为本专利技术实施例1、2、3、4制备的氮掺杂碳纳米网电极材料在6mol/LKOH电解液中，在不同电流密度下的比容随电流密度的变化图。具体实施方式为了更好的理解本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明，但是本专利技术要保护的范围并不局限于实施例说明的范围，应当理解成事例性的，本领域的技术人员可以在不违背本专利技术精神和范围的基础上进行改变和修改，所有这些改变和修改包括在本专利技术范围内。实施例1氮掺杂碳纳米网NCN1的具体制备过程如下：(1)反应物的预处理：称取5g氢氧化钾固体放入研钵中，研磨粉碎，加入10g粉末状氢氧化镁，将二者混合均匀，将所得混合后的粉末逐渐放入盛有5g蒽的研钵中，研磨混合均匀，得到混合物，将所得混合物静置12h，得到反应物；(2)氮掺杂碳纳米网的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉瓷舟中，将所述刚玉舟放置于水平管式炉内，以30mL/min的流量通入氨气将管式炉内的空气排净，采用电炉加热，以5℃/min的升温速率将管式炉加热至220℃，恒温30min，继续以相同的升温速率加热到300℃保持30min，随后以相同的升温速率将管式炉加热至900℃，反应结束后自然降至室温，然后将得到的产物取出，研磨粉碎后放入烧杯中，加入2mol/L稀盐酸，超声震荡1h，再用磁力搅拌器在室温下搅拌12h，然后用80℃左右的蒸馏水洗涤至滤液为中性，将洗涤后的样品置于鼓风干燥箱内于110℃恒温干燥24h后研磨过325目筛，得到氮掺杂的碳纳米网。所得氮掺杂的碳纳米网标记为NCN1，XPS测试结果表明，其氮含量为6.86％。NCN1用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，NCN1的比容为302.7F/g，20A/g电流密度下，NCN1的比容为184.9F/g。实施例2氮掺杂碳纳米网NCN2的具体制备过程如下：(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施，不同之处在于，氢氧化钾的质量为10g；(2)氮掺杂碳纳米网的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。所得氮掺杂碳纳米网标记为NCN2，XPS测试结果表明，其氮含量为4.57％。NCN2用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，其比容为329.3F/g；在20A/g电流密度下，其比容为227.7F/g。实施例3氮掺杂碳纳米网NCN3的具体制备过程如下：(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。不同之处在于，氢氧化钾的质量为15g；(2)氮掺杂碳纳米网的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。所得氮掺杂碳纳米网标记为NCN3，其氮含量为5.66％。NCN3用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，其比容为362.9F/g；在20A/g电流密度下，其比容为252.9F/g。实施例4氮掺杂碳纳米网NCN4的具体制备过程如下：(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。不同之处在于，氢氧化钾的质量为20g；(2)氮掺杂碳纳米网的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。所得氮掺杂碳纳米网标记为NCN4，XPS测试结果表明，其氮含量为4.62％。NCN4用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超级电容器用氮掺杂碳纳米网的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)反应物的预处理：称取氢氧化钾固体放入研钵中，研磨粉碎，加入粉末状氢氧化镁，将二者混合均匀，将所得混合后的粉末逐渐放入盛有蒽的烧杯中，放在磁力搅拌器上进行加热并用玻璃棒搅拌混合均匀，得到混合物，将所得混合物静置12h，得到反应物；其中，氢氧化钾的质量占氢氧化钾、氢氧化镁和蒽三者混合物总质量的1/4～4/7，氢氧化钾与蒽的质量比介于1/1～4/1之间；(2)氮掺杂碳纳米网的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉舟中，然后将上述刚玉舟放置于水平管式炉内，通入氨气将管式炉内的空气排净后，继续以氨气作为氮源，以5℃/min的升温速率将管式炉加热至220℃，恒温30min；接着以5℃/min的升温速率加热到300℃保持30min，随后以5℃/min的升温速率加热至终温900℃，恒温1h，反应结束后自然降至室温，将得到的产物取出、研磨,经酸洗、蒸馏水洗涤至中性，干燥后得到氮掺杂碳纳米网。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器用氮掺杂碳纳米网的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)反应物的预处理：称取氢氧化钾固体放入研钵中，研磨粉碎，加入粉末状氢氧化镁，将二者混合均匀，将所得混合后的粉末逐渐放入盛有蒽的烧杯中，放在磁力搅拌器上进行加热并用玻璃棒搅拌混合均匀，得到混合物，将所得混合物静置12h，得到反应物；其中，氢氧化钾的质量占氢氧化钾、氢氧化镁和蒽三者混合物总质量的1/4～4/7，氢氧化钾与蒽的质量比介于1/1～4/1之间；(2)氮掺杂碳纳米网的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉舟中，然后将上述刚玉舟放...

【专利技术属性】
技术研发人员：何孝军，魏风，吴胜华，宋章训，余谟鑫，费伦，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34