一种基于杂原子掺杂碳材料的超级电容器电极的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于杂原子掺杂碳材料的超级电容器电极的制备方法。用干酵母通过直接热解法对于酵母的高温处理更具有优势，更能发挥生物质碳的优良电化学性能，合成的电极材料用于超级电容器中能够提供持续稳定的电能，使用寿命大大提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于杂原子掺杂碳材料的超级电容器电极的制备方法
本专利技术涉及一种生物基碳材料，属于无机功能材料和电化学能源
，具体是指一种基于杂原子掺杂碳材料的超级电容器电极的制备方法。
技术介绍
近年来，化石燃料等不可再生资源在以世界发达工业国家为首的大量消耗下，产生了很严重的空气环境污染，而这些污染极大地影响到了人类的正常健康生活，人们也逐渐意识到了长久发展的大计，各国积极号召大家营造一个低碳环保、节能减排的生存环境。为此，超级电容器的研究便为了响应号召将重心转移到研究高效的、环境友善型储能装置上了。之前已经有研究者对太阳能电池、锂电池等常见的储供能装置进行了探究，也得到了不少的收获。作为超级电容器中重要组成部分之一的电极材料来说，其研究和发展极大地影响到了超级电容器整体的使用性能，截至目前发展起来的超级电容器电极材料是以碳材料和过渡金属氧化物为常用的电极材料，而导电聚合物材料作为新兴的电极材料也具有不错的性能。但从实际上来说，后两种电极材料比在制备生产中成本高，环境不友好，同时金属材料以及导电聚合物作为电极材料制备的超级电容器电极稳定性较低，使得采用后两类作为电极材料的超级电容器的研究存在较多的局限性和不可控因素，所以在短期内不太可能实现大批量生产制造。相反杂原子掺杂活性碳的吸附性能优异、易产生多孔结构、在电解液中离子传输效率高等特性而得到了广泛的研究和应用。华南理工大学余皓等人公开了一种氮、硫、磷杂原子掺杂碳材料的制备方法，该方法采用氟化碳材料或氟化碳纳米管为碳基底，将吡啶、噻吩、三苯基膦溶液等作为氮、硫、磷源，高温下通过裂解沉积的方法掺入碳基底中，该方法具有成本高，环境不友好等缺点，因此我们用生物质为碳基(生物质本身含有杂原子)，直接煅烧法制备杂原子掺杂碳材料，此方法简单，易合成，成本低，环境友好，且倍率性能优异，是制备超级电容器电极材料的极佳选择。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于杂原子掺杂碳材料的超级电容器电极的制备方法，制备过程环保、节能低碳，在超级电容器中作为电极的应用，能够提供持续稳定的电能，使用寿命大大提高。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于杂原子掺杂碳材料的超级电容器电极的制备方法，包括以下步骤：(1)直接热解法处理酵母：称取2-4mg的干酵母置于瓷舟，在氮气作为保护气的条件下，将其放置于管式炉中进行煅烧形成杂原子掺杂碳材料；所述步骤(1)中所述的煅烧温度为600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃。本专利技术还提供一种通过所述制备方法制得的杂原子掺杂碳材料。上述方案的有益效果是：本专利技术采用酵母为原料，经特殊的碳化后得到生物质球片材料，制得的球片材料具有优异的倍率性能，且5000圈循环后保持率为98.3％。实验结果表明，生物质材料作为碳源制备的多孔碳材料在超级电容器中具有巨大的开发和应用价值。优选地，所述的步骤(1)中煅烧温度为800℃条件下得到的超级电容器的比电容在1mV-1的扫描速率下达181.82Fg-1。优选地，所述的步骤(1)中煅烧温度为800℃条件下得到的超级电容器，在0.5Ag-1的电流密度下比电容达198.5Fg-1。优选地，对所述的步骤(1)中800℃热解合成的电极材料进行稳定性测试，电流密度为20Ag-1，循环次数为5000次，其容量保持率达98.3％。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供了一种基于杂原子掺杂生物质碳材料的超级电容器电极及其制备方法，其中直接热解法对于酵母的高温处理更具有优势，更能发挥生物质的优良电化学性能，同时还能做到环保，节能低碳，是一种不错的工艺，合成的电极材料用于超级电容器中能够提供持续稳定的电能，使用寿命大大提高，这对于电源来说具有重要的意义。本专利技术的另一个目的是提供一种采用上述方法制得的杂原子掺杂生物质碳材料。本专利技术还提供了一种采用上述方法制得的杂原子掺杂生物质碳材料的应用方法，即将其用于电容器电极的制备。具体的，本专利技术还提供了一种采用杂原子掺杂生物质碳材料制备电容器电极的制备方法，包括以下步骤：S1.以质量比杂原子掺杂碳材料：乙炔黑：PTFE乳液＝8:1:1称取材料，用0.5-2mL乙醇溶液进行溶解，充分研磨均匀，搅拌成浆糊状涂到泡沫镍上；S2.将涂好所述杂原子掺杂碳材料的泡沫镍放于红外线照射灯下10-20min烘干，再将镍片置于装有5-7mol/L氢氧化钾溶液的称量瓶中浸泡8-12h，得到超级电容器电极。优选地，所述的步骤S1中的泡沫镍片上活性物质涂布的有效质量为2-4mg，涂布面积为1cm2。优选地，所述的步骤S2中氢氧化钾与杂原子掺杂生物质碳材料的质量比为1:0.1-1.5。优选地，所述的步骤S2中氢氧化钾与杂原子掺杂生物质碳材料的质量比可以是1:0.5、1:1或1:1.5。优选地，所述的步骤S2中氢氧化钾与杂原子掺杂生物质碳材料的质量比为1:1制得的电极，在0.5Ag-1的电流密度下比电容达272.4Fg-1。上述技术方案的有益效果是：制得了一种具有良好倍率性能的电容器电极，稳定性高，而且制备方法简单成本低廉，有利于推广使用。最后，本专利技术还提供了一种包含上述方法制备的杂原子掺杂生物质碳材料的电容器电极。综上所述，本专利技术的有益效果为：不仅提供了一种杂原子掺杂碳材料制备方法，还提供了杂原子掺杂碳材料的应用方法及其所制备的电容器电极，使制得的电极具有良好的电化学性能，大电流充放电容易、循环寿命长，重要的是制备工艺简便且成本低廉，适于工业生产，具有很高的推广应用价值。附图说明图1直接热解法700℃下酵母的SEM图；图2直接热解法800℃下酵母的SEM图；图3直接热解法900℃下酵母的SEM图；图4在700℃、800℃、900℃高温处理下酵母的XRD图；图5800℃高温直接热解法合成的酵母BET图；图6不同合成温度对电极材料电化学性能的影响；图7800℃合成的材料在不同扫描速率下的CV图和在不同电流密度CP图；图8800℃合成材料的功率密度和能量密度图；图9不同温度处理下的电极材料阻抗图；图10对800℃热解合成的电极材料进行稳定性测试图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。如无特别说明，本专利技术中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。实施例1称取2-4mg的干酵母置于瓷舟，在氮气作为保护气的条件下，将其放置于管式炉中，进行热解形成杂原子掺杂生物质基多孔碳材料，800℃高温处理，然后自然冷却至室温，得活化材料；实施例2将实施例1中800℃更换为700℃，其余条件不变。实施例3将实施例1中800℃更换为900℃，其余条件不变。实施例4将实施例1、2、3所得物质进行电化学测试，测试结果如下表：700℃条件下对干酵母进行高温热解处理800℃条件下对干酵母进行高温热解处理900℃条件下对干酵母进行高温热解处理结论：800℃碳化时，所得产物电容值最高。故以下实施例采用800℃碳化的材料。实施例5由上述实施例及结果分析，采用实施例1采取的物质及参数为最优实施例，故采用实施例1所制得的杂原子掺杂碳材料来制备电容器电电极，包括以下步骤：S1.以质量比杂原子掺杂碳材料：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于杂原子掺杂碳材料的超级电容器电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备杂原子掺杂碳材料：直接热解法处理酵母：称取2‑4mg的干酵母置于瓷舟，在氮气作为保护气的条件下，将其放置于管式炉中进行煅烧形成杂原子掺杂碳材料；(2)用于电容器电极的制备，步骤如下：S1.以质量比杂原子掺杂碳材料：乙炔黑：PTFE乳液＝8:1:1称取材料，用0.5‑2mL乙醇溶液进行溶解，充分研磨均匀，搅拌成浆糊状,即得活性物质，并将其涂到泡沫镍上；S2.将涂好所述杂原子掺杂碳材料的泡沫镍放于红外线照射灯下10‑20min烘干，再将镍片置于装有5‑7mol/L氢氧化钾溶液的称量瓶中浸泡8‑12h，得到超级电容器电极。

【技术特征摘要】
1.一种基于杂原子掺杂碳材料的超级电容器电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备杂原子掺杂碳材料：直接热解法处理酵母：称取2-4mg的干酵母置于瓷舟，在氮气作为保护气的条件下，将其放置于管式炉中进行煅烧形成杂原子掺杂碳材料；(2)用于电容器电极的制备，步骤如下：S1.以质量比杂原子掺杂碳材料：乙炔黑：PTFE乳液＝8:1:1称取材料，用0.5-2mL乙醇溶液进行溶解，充分研磨均匀，搅拌成浆糊状,即得活性物质，并将其涂到泡沫镍上；S2.将涂好所述杂原子掺杂碳材料的泡沫镍放于红外线照射灯下10-20min烘干，再将镍片置于装有5-7mol/L氢氧化钾溶液的称量瓶中浸泡8-12h，得到超级电容器电极。2.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶晶，陈锡安，崔翠霞，吴婉仪，金辉乐，金晓铭，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33