一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法，包括以下步骤：生物基材料的洗涤；生物基材料与氮源的混合，烘干；碳化；洗涤，烘干，获得可用于超级电容器的电极材料。本发明专利技术所用原材料来源广泛，操作简单，制备的电极材料，在超级电容器中表现出优异的电化学性能，具有广泛的应用前景。

Preparation of a Nitrogen Doped Bio-based Activated Carbon Electrode Material

The invention relates to a preparation method of nitrogen-doped bio-based activated carbon electrode material, which comprises the following steps: washing of bio-based material; mixing and drying of Bio-based Material and nitrogen source; carbonization; washing and drying to obtain electrode material for supercapacitors. The raw material used in the invention has wide sources, simple operation, and excellent electrochemical performance in supercapacitors, which has wide application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法，属于超级电容器，电池等新能源储能器件

技术介绍
随着全球经济的快速发展，化石能源枯竭日益严重，人类已经将目光瞄准了太阳能，风能，潮汐能等可再生能源，因此如何储存这些能源成为人类急需解决的问题。超级电容器作一种介于传统电容器和化学电池之间的新型储能器件，具有功率密度高，充放电速率快，循环稳定性好，温度范围广，环境友好型等优点，在储能领域具有很大的应用前景。除此之外，其还可以应用在通信，航天航空，国防等高科技领域。超级电容器根据其储能原理的不同，可以分为双电层电容超级电容器以及赝电容超级电容器。双电层电容是由于电解液离子在电极表面与电极形成紧密的电荷层而产生的。活性炭由于导电性能好，具有大的比表面积，来源广，是一种重要的超级电容器电极材料。但是纯的活性炭的比电容不高，一定程度上限制了其的应用。而氮源的引入能对活性炭进行氮掺杂，能有效的改善其电化学性能。CN105977491A公开了一种氮掺杂分级多孔炭电极材料及其应用（北京化工大学），以动物骨为前躯体，在700~1500°C下炭化，然后酸洗得到该电极材料。该材料具有微孔、介孔和大孔的分级多孔结构，具有高比表面积、高孔容积、窄孔分布及氮原子掺杂等特点；用作锂离子电池负极材料时，具有高可逆容量及优异的循环稳定性和倍率性能。但此方法采用骨粉作为原材料，原材料受限制，且氮源加入量不可控。产品单一，且质量不稳定。CN107919461A公开了一类氮掺杂多孔炭负极材料的制备方法与应用（南京工业大学），它是以紫环酮类含氮稠环芳烃为炭源制备氮掺杂多孔炭的方法及其作为碱金属离子二次电池负极或正极材料的应用。该方法先将紫环酮类含氮共轭稠环芳烃与模版剂或活化剂混合，在一定范围的温度下热分解炭化，得到氮掺杂多孔炭负极或正极材料。以大分子量的紫环酮类含氮共轭稠环芳烃作为炭源能够减少热处理过程中氮元素损失，有效实现多孔炭中高比例氮掺杂，有效增加电化学氧化还原位点。本方法还可以通过筛选炭源、热处理炭化温度、模版剂或活化剂的质量比等调控多孔炭比表面积，增加电荷交换界面，有效实现高能存储。该材料具有：(1)结构丰富，紫环酮类原料廉价易得；(2)较高的能量密度、倍率功率密度和循环稳定性。此方法采用紫环酮类含氮稠环芳烃作为炭源，需要利用芳香族化工原料，不环保，原材料受限制，且制造成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种成本低廉、操作简单、氮含量可控的基于氮掺杂生物基活性炭的制备方法，该材料可作为超级电容器以及化学电池的电极材料。本专利技术目的是这样实现的：一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤1.将所得生物基材料进行洗涤；步骤2.将一定量洗涤之后的生物基材料与一定量的氮源溶液进行混合，然后烘干；步骤3.将烘干后的材料放至管式炉中煅烧，在惰性气体氛围中300-1500℃煅烧0-24h，待管式炉温度降至室温后，将所得到的材料进行酸洗，碱洗，水洗，烘干，即得到氮掺杂生物基活性炭电极材料。其中，在步骤1所述的生物基材料包括：荷叶杆，莲蓬须，莲子皮，莲子，棕树须，松针，红薯，地瓜，西瓜瓤中的至少一种；在步骤2所述的氮源包括：尿素，三聚氰胺，氨水，亚硝酸盐中的至少一种；在步骤2所述的氮源溶液的浓度范围在0.1-50mol/L；在步骤2所述生物基材料与氮源的重量比为0.1-100；在步骤2所述烘干温度为25-200℃；在步骤2所述烘干时间为0.1-72h；在步骤3所述的惰性气体包括氩气，氮气，氦气中的至少一种；在步骤3所述的煅烧温度为250-1500℃；在步骤3所述的煅烧时间为0.1-24h；在步骤3所述的酸洗为盐酸，硫酸，硝酸中的至少一种；溶液浓度为0.1-50mol/L；洗涤时间为0.1-24h；在步骤3所述的碱洗为氢氧化钠，氢氧化钾，中的至少一种；溶液浓度为0.1-50mol/L；洗涤时间为0.1-24h。在所制备的氮掺杂生物基活性炭电极材料的应用包括超级电容器电极材料，电池电极材料。本专利技术所述的方法及所制备材料具备以下优点：1.本专利技术所述的制备方法操作简单，材料来源广泛，绿色环保；2.本专利技术所制备的氮掺杂生物基活性炭不仅具有大的比表面积，而且具有很高的氮含量，是一种很好的超级电容器以及化学电池的电极材料；3.本专利技术所制备的氮掺杂生物基活性炭作为电极材料，制备成超级电容器之后，表现出高的比电容，大电流条件下快速充放电能力以及良好的循环稳定性。附图说明图1为实施例1制备的氮掺杂生物基活性炭的扫描电子显微镜照片。图2为实施例1制备的氮掺杂生物基活性炭电极KOH电解液中的计时电位曲线。图3为实施例1制备的氮掺杂生物基活性炭电极KOH电解液中的循环伏安曲线。图4为对比例1没有进行氮掺杂制备的生物基活性炭（其他过程与实施例1相同）电极KOH电解液中的计时电位曲线。图5为对比例1没有进行氮掺杂制备的生物基活性炭（其他过程与实施例1相同）电极KOH电解液中的循环伏安曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术具体实施例，对本专利技术技术方案进行清除、完整的描述。实施例11.将荷叶杆去皮，取5g去皮之后的荷叶杆用蒸馏水洗涤；2.将5g洗涤之后的荷叶杆放置50ml2mol/L尿素溶液中浸泡2h，然后60℃烘干24h；3.将烘干之后的样品放至管式炉中，通氩气800℃煅烧4h；待其冷却之后一次放入1mol/LHCl，1mol/LNaOH，蒸馏水中分别洗涤1h，得到氮掺杂生物基活性炭材料。制备的氮掺杂生物基活性炭材料，其扫描电子显微镜照片见图1，从图1中可以看出其表面具有多孔结构，比表面积高达825.3m2/g。制备的氮掺杂生物基活性炭电极KOH电解液中的计时电位曲线，参见图2，从图2中可以看出：在0.5A/g电流密度下，所制备的氮掺杂生物基活性炭电极的比电容高达259F/g。制备的氮掺杂生物基活性炭电极KOH电解液中的循环伏安曲线，参见图3，从图3中可以看出：在200mV/s扫描速率下，循环伏安曲线成矩形，有良好的对称性，说明所制备的氮掺杂生物基活性炭电极具有在大电流条件下快速充放电的能力。实施例21.取5g莲蓬须用蒸馏水洗涤；2.将5g洗涤之后的荷叶杆放置100ml4mol/L三聚氰胺溶液中浸泡2h，然后80℃烘干36h；3.将烘干之后的样品放至管式炉中，通氦气600℃煅烧8h；待其冷却之后一次放入1mol/LHCl，1mol/LNaOH，蒸馏水中分别洗涤2h，得到氮掺杂生物基活性炭材料。实施例31.将地瓜去皮，取10g去皮之后的地瓜用蒸馏水洗涤；2.将10g洗涤之后的荷叶杆放置250ml2mol/L尿素溶液中浸泡4h，然后100℃烘干48h；3.将烘干之后的样品放至管式炉中，通氩气800℃煅烧4h；待其冷却之后一次放入2mol/LHCl，2mol/LNaOH，蒸馏水中分别洗涤2h，得到氮掺杂生物基活性炭材料。对比例1对比例1与实施例的区别仅在于没有进行氮掺杂，即洗涤之后的荷叶直接烘干，不经过尿素溶液中浸泡过程。对比例1方法制备的生物基活性炭电极的比电容只有129F/g，参见图4。对比例1制备的生物基活性炭电极子在200mV/s扫描速率的曲线则偏离矩形较多，说明其在大电流快速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤1.将所得生物基材料进行洗涤；步骤2.将一定量洗涤之后的生物基材料与一定量的氮源溶液进行混合，然后烘干；步骤3.将烘干后的材料放至煅烧炉，在惰性气体氛围中煅烧，煅烧后降至室温，将所得到的材料进行酸洗，碱洗，水洗，烘干，即得到氮掺杂生物基活性炭电极材料；其中：步骤1所述的生物基材料包括：荷叶杆，莲蓬须，莲子皮，莲子，棕树须，松针，红薯，地瓜，西瓜瓤中的至少一种；步骤2所述的氮源包括：尿素，三聚氰胺，氨水，亚硝酸盐中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤1.将所得生物基材料进行洗涤；步骤2.将一定量洗涤之后的生物基材料与一定量的氮源溶液进行混合，然后烘干；步骤3.将烘干后的材料放至煅烧炉，在惰性气体氛围中煅烧，煅烧后降至室温，将所得到的材料进行酸洗，碱洗，水洗，烘干，即得到氮掺杂生物基活性炭电极材料；其中：步骤1所述的生物基材料包括：荷叶杆，莲蓬须，莲子皮，莲子，棕树须，松针，红薯，地瓜，西瓜瓤中的至少一种；步骤2所述的氮源包括：尿素，三聚氰胺，氨水，亚硝酸盐中的至少一种。2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法，其特征在于步骤2所述的氮源溶液的浓度范围在0.1-50mol/L。3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法，其特征在于步骤2所述生物基材料与氮源的重量比为0.1-100。4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂生物基活性炭电极材料的制备方法，其特征在于步骤2所述烘干温度为25-200℃，所述烘干时间为0.1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘潇，朱冠华，许瑞萍，付强，于井锐，陈冬，葛科，龚晓辉，成龙博，
申请(专利权)人：江苏海基新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32