一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，具体为：首先将聚丙烯腈木质素溶解在N,N‑二甲基甲酰胺溶液中，随后加入GNs，继续搅拌形成均质纺丝液，将纺丝液使用静电纺丝机纺丝制备碳基超级电容器电极材料前驱体，再进行预氧化、碳化处理，最后对该电极材料进行活化得到，活性碳基超级电容器电极材料。本发明专利技术方法制备的碳基超级电容器电极材料，电化学性能性能优异且具有一定的柔性，能够满足柔性电子、高功率行业、新能源电力存储等领域的应用要求。

A preparation method of carbon based supercapacitor electrode material doped with atoms

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法
本专利技术属于电极材料制备
，具体涉及一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法。
技术介绍
随着化石能源的日益枯竭及化石资源使用所造成的环境污染问题，以化石能源的行业面临着的资源短缺的问题，在此情况之下需要大力发展风能，太阳能，潮汐能等可再生能源。但是这些能源受其自身条件和自然因素的限制，具有间歇性、不稳定性等特点限制了他们的大规划化应用。如何更加有效的将这部分能源转化和储存成为现在许多科研工作者所共同努力的课题。超级电容器，作为介于传统电容器和充电电池之间的的一种储能原器件，因其高的功率密度、长的循环寿命、快速的充放电能力而具有广泛的应用前景。超级电容器根据不同的储能机理，分为双电层电容器和法拉第赝电容器。其中，双电层电容器主要是通过电荷在电极表面进行吸附脱附来产生存储能量。法拉第赝电容器主要是通过活性电极材料(如过渡金属氧化物和高分子聚合物)表面及近表面的氧化还原反应产生法拉第赝电容，从而实现能量的存储与转换。其中双电层电容器因其电极材料制备工艺简单、成本低廉、原料来源广泛，近来引起了广大科研工作者的关注。活性碳材料，具有比表面积大，孔隙率高，抗化学腐蚀等优点，是一种极为理想的双电层电容器电极材料的潜在来源。但是碳基电容器的能量密度较低，达不到大规模商业化生产，因此需要在活性炭材料中进行杂原子掺杂引起赝电容从而增加超级电容器的能量密度。而活性碳材料的制备方法就是将有机原料(果壳、煤、木材等)在隔绝空气的条件下加热，以减少非碳成分。这与活性碳材料中杂原子掺杂相矛盾，因此如何在保证活性碳材料高石墨化程度的同时又引入更多的杂原子成为了目前的研究趋势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，解决了现有技术中电容器电极材料电化学性能差的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，于50℃～80℃搅拌反应2～6h，得到聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液；步骤2、将木质素溶解于步骤1中得到的聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在40～60℃加热搅拌4～6h，得到聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液；步骤3、将GNs分散于步骤2中得到的聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌16～24h，得到聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液；步骤4、经步骤3后，制备高杂原子掺杂量、高孔隙率、高石墨化程度的聚丙烯腈/木质素基活性碳材料。本专利技术的特点还在于，步骤1中，聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1～4：1～4。步骤2中，聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量浓度为10～30％。步骤3中，聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量分数为0.05～5.00％。步骤4中，具体步骤如下：步骤4.1、将聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液转移到注射器中，使用22G平口针头，使用静电纺丝机进行静电纺丝，使用接收辊接收碳纤维前驱体，之后将碳纤维前驱体置于马弗炉中进行预氧化，在空气氛围下，以0.01～5.00℃/min的速率升温至200～300℃，保温30～720min，得到预氧化纤维；步骤4.2、将步骤4.1中的预氧化纤维置于管式炉中，在氮气氛围下，以2～10℃/min的速率升温至600～1400℃，保温30～180min，进行碳化处理，得到碳纤维；步骤4.3、将步骤4.2中的碳纤维浸渍在KOH溶液中，浸渍时间为2～4h，干燥，干燥温度为40～120℃，干燥时间为1～24h，将烘干后的碳纤维置于管式炉中，在氮气氛围下，以1～10℃/min的速率升温至700～1200℃，保温1～5h，最后将碳化所得的活性碳纤维分别使用稀盐酸和去离子水进行洗涤至中性，真空干燥，得到高杂原子掺杂量的碳基超级电容器电极材料。步骤4.1中，静电纺丝条件为：静电电压10～20KV，接收距离15～30cm，接受棍转速100～400r/min，纺丝液推速0.01～1mL/h；步骤4.3中，碳纤维与KOH溶液的质量比为1：5～15，KOH溶液的质量分数为30/L～60g/L。步骤4.3中，真空干燥温度为40～80℃，真空干燥时间为2～24h。本专利技术的有益效果是：本专利技术方法中，使用木质素与聚丙烯腈作为碳源，同时提供了硫源和氮源，能够一步碳化得到杂原子掺杂的碳材料；同时，利用GNs的扭曲片层结构增加碳材料中孔隙率；利用GNs固氮固硫作用提高碳材料中杂原子掺杂含量；利用GNs的高导电性高石墨化程度去降低活性炭电极材料的电阻，增加导电性，且该方法简单、绿色环保。附图说明图1为本专利技术实施例1中GNs掺杂量0.00wt％时制备所得活性碳纤维电镜图；图2为本专利技术实施例1中GNs掺杂量0.05wt％时制备所得活性碳纤维电镜图；图3为本专利技术实施例1中GNs掺杂量0.10wt％时制备所得活性碳纤维电镜图；图4为本专利技术实施例1中GNs掺杂量0.20wt％时制备所得活性碳纤维电镜图；图5为本专利技术实施例1中GNs掺杂量0.30wt％时制备所得活性碳纤维电镜图；图6为本专利技术实施例1所得的碳基超级电容器电极材料的氮气吸附脱附曲线；图7为本专利技术实施例1所得的碳基超级电容器电极材料的孔容孔径分布图；图8为本专利技术实施例1所得的碳基超级电容器电极材料中杂原子含量分布柱状图；图9为本专利技术实施例1所得的碳基超级电容器电极材料电化学阻抗谱图(EIS)；图10为本专利技术实施例2所得的碳基超级电容器电极材料恒电流充放电测试谱图(GCD)。具体实施方式下面结合具体实施方式和附图对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，于50℃～80℃搅拌反应2～6h，得到聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液；聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1～4：1～4；步骤2、将木质素溶解于步骤1中得到的聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在40～60℃加热搅拌4～6h，得到聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液；聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量浓度为10～30％；步骤3、将GNs分散于步骤2中得到的聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌16～24h，得到聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液；聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量分数为0.05～5.00％。步骤4、经步骤3后，制备高杂原子掺杂量、高孔隙率、高石墨化程度的聚丙烯腈/木质素基活性碳材料，具体步骤如下：步骤4.1、将聚丙烯腈-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：/n步骤1、将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，于50℃～80℃搅拌反应2～6h，得到聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液；/n步骤2、将木质素溶解于步骤1中得到的聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在40～60℃加热搅拌4～6h，得到聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液；/n步骤3、将GNs分散于步骤2中得到的聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌16～24h，得到聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液；/n步骤4、经步骤3后，制备高杂原子掺杂量、高孔隙率、高石墨化程度的聚丙烯腈/木质素基活性碳材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，于50℃～80℃搅拌反应2～6h，得到聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液；
步骤2、将木质素溶解于步骤1中得到的聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在40～60℃加热搅拌4～6h，得到聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液；
步骤3、将GNs分散于步骤2中得到的聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌16～24h，得到聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液；
步骤4、经步骤3后，制备高杂原子掺杂量、高孔隙率、高石墨化程度的聚丙烯腈/木质素基活性碳材料。


2.根据权利要求1所述的一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1～4：1～4。


3.根据权利要求1所述的一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，聚丙烯腈-木质素/N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量浓度为10～30％。


4.根据权利要求1所述的一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量分数为0.05～5.00％。


5.根据权利要求1所述的一种掺杂原子的碳基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，具体步骤如下：
步骤4.1、将聚丙烯腈-木质素-GNs/N,N-二甲基甲酰胺溶液转移到注...

【专利技术属性】
技术研发人员：任鹏刚，戴忠，何文维，侯鑫，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61