具有超高比电容的碳基电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及新能源材料技术领域，公开了一种具有超高比电容的碳基电极材料及其制备方法，该碳基电极材料包括以下重量份的原料：改性多孔碳材料50

【技术实现步骤摘要】
具有超高比电容的碳基电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及新能源材料
，具体为具有超高比电容的碳基电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]全球性的室温效应和石油供应无法满足需求是我们这个时代所面临的巨大危机，对石油化石燃料的无限开采和使用，最终会导致化石能源枯竭，迫使人类需要放弃化石能源，寻求低碳、绿色、可持续发展的清洁能源，近年来，使用超级电容器等电能储存和转换装置，实现电能的高效利用，成为研究热点，利用可充电电池的特殊充放电效应，可以将其作为电动汽车的动力设备，但是超级电容器表面或者仅表面的点和储存机制使得其容量较低，无法满足需求，因此，需要提高超级电容器的容量，以便于进一步推广其应用。
[0003]电极材料是决定超级电容性能优劣最重要的部分，开发出环境友好且成本较低的电极材料，是推动超级电容器进一步发展的重要动力，由于活性碳材料比表面积高、成本低、易获得且环境友好，并且较高的比表面和丰富的孔结构使得其可以在电机和电解液界面间进行电荷存储，产生一定的比电容，但是活性炭本身只能进行双层电容，未经改性的活性炭材料本身的比电容较低，因此需要对其进行改性，公开号为CN111484013A的中国专利公开了一种超级电容器用氮硫共掺多孔碳的制备方法，以硫脲和碳酸氢钾为自牺牲软模板和活化剂，硫酸钠为辅助活化剂和硫源，以煤沥青为碳源；将煤沥青、碳酸氢钾、硫脲、硫酸钠混合物研碎至黑色粉状，之后放置于水平管式炉内，并在氮气气氛下，加热制得氮硫共掺多孔碳，以该氮硫共掺多孔碳为超级电容器的电极材料，显示出较高的比电容和良好的倍率性能，但是元素掺杂会导致单位面积的碳原子数大大减少，导致多孔碳材料的导电性发生不可逆的退化，因此需要对活性炭材料进行进一步改性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种具有超高比电容的碳基电极材料及其制备方法，解决了以下技术问题：
[0005](1)通过在多孔碳材料表面引入磺酸基官能团，解决了多孔碳材料比电容较低以及亲水性较差的问题。
[0006](2)通过对聚吡咯纳米管进行元素掺杂，使得聚吡咯纳米管产生额外的赝电容，提高了聚吡咯纳米管的比电容。
[0007](3)通过将硫掺杂聚吡咯纳米管插入改性多孔碳材料的孔隙中，提高了多孔碳材料的导电性和结构稳定性，进而增强了复合碳基电极材料的倍率性能和循环稳定性。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0009]具有超高比电容的碳基电极材料，包括以下重量份的原料：改性多孔碳材料50
‑
80份、硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管10
‑
30份；所述改性多孔碳通过在生物质基多孔碳表面修饰磺酸基团制备；所述硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管通过在聚吡咯纳米管结构中引入含硫官能
团，再将其高温碳化制备。
[0010]具有超高比电容的碳基电极材料的制备方法包括以下步骤：
[0011]S1：向去离子水中加入改性多孔碳材料，超声分散至形成均匀的分散液，得到溶液
①
；
[0012]S2：将硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管研磨粉碎，过80
‑
100目筛，将其加入去离子水中，超声分散至形成均匀的分散液，得到溶液
②
；
[0013]S3：将溶液
②
滴加至溶液
①
中，转移至搅拌机中，在400
‑
800r/min的转速下搅拌2
‑
6h，过滤出固体样品，将其置于真空干燥箱中进行干燥，得到具有超高比电容的碳基电极材料。
[0014]通过上述技术方案，在搅拌过程中，溶液
②
的硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管可以插入进改性多孔碳材料的孔隙中，形成复合型碳基电极材料，由于硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管具有较高的导电性和机械稳定性，可以使得多孔碳材料的孔隙结构更加稳定，导电性更强，同时，硫掺杂多孔聚吡咯纳米管可以与改性多孔碳材料形成协同作用，从而有效地增强了多孔碳材料的电化学活性。
[0015]进一步地，所述改性多孔碳的制备方法包括以下步骤：
[0016]A1：将1g纤维素和2
‑
4g氢氧化钾倒入30
‑
50mL去离子水中搅拌混合均匀，蒸发溶剂，将固体产物转移至管式炉中，在氮气保护下以700
‑
850℃碳化1
‑
3h，碳化结束后用去离子水和盐酸洗涤产物，真空干燥，得到生物质基多孔碳；
[0017]A2：向40
‑
80mL质量浓度为20
‑
30％的双氧水中加入1g生物质基多孔碳，混合均匀，在15
‑
35℃下浸渍12
‑
36h，产物干燥后，在盐酸溶液中浸泡12
‑
24h，浸泡结束后，用去离子水洗涤至中性，真空干燥，得到氧化生物质基多孔碳；
[0018]A3：将氧化生物质基多孔碳加入无水乙醇溶剂中，超声分散20
‑
40min，加入N,N
‑
二环己基碳二亚胺，将体系转移至40
‑
60℃的水浴锅中，搅拌10
‑
30min，继续加入对氨基苯磺酸，搅拌反应12
‑
36h，过滤处固体产物，使用乙醇和去离子水洗涤至中性，将滤饼置于真空干燥箱中干燥，得到改性多孔碳。
[0019]进一步地，所述步骤A1制备的生物质基多孔碳的平均孔径为3.731
‑
4.469。
[0020]进一步地，所述步骤A3反应过程中加入的氧化生物质基多孔碳、N,N
‑
二环己基碳二亚胺和对氨基苯磺酸的质量比为10:20
‑
50:25
‑
60。
[0021]通过上述技术方案，使用双氧水为氧化剂，对生物质基多孔碳进行氧化，得到的氧化生物质基多孔碳表面含有羧基等活性含氧官能团，以N,N
‑
二环己基碳二亚胺为催化剂，催化羧基与对氨基苯磺酸结构中的氨基发生酰胺化反应，生成改性多孔碳，从而在多孔碳材料的表面引入了丰富的磺酸基团，实现了多孔碳材料的表面苯磺酸功能化。
[0022]进一步地，所述硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管的制备方法包括以下步骤：
[0023]Ⅰ：向200
‑
400mL浓度为4
‑
6mmol/L的甲基橙溶液中加入0.2
‑
0.5g氯化铁，在10
‑
30℃下快速搅拌5
‑
15min，继续向体系中加入0.5
‑
1.5mL吡咯，转移至水浴锅中，在15
‑
35℃下反应6
‑
18h，反应结束后抽滤，用乙醇和去离子水洗涤，真空干燥，得到聚吡咯纳米管；
[0024]Ⅱ：将步骤Ⅰ制备的聚吡咯纳米管和氢氧化钾溶解在N,N
‑
二甲基甲酰胺溶剂中，充分溶解，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有超高比电容的碳基电极材料，其特征在于，所述碳基电极材料包括以下重量份的原料：改性多孔碳材料50
‑
80份、硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管10
‑
30份；所述改性多孔碳通过在生物质基多孔碳表面修饰磺酸基团制备；所述硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管通过在聚吡咯纳米管结构中引入含硫官能团，再将其高温碳化制备。2.如权利要求1所述的具有超高比电容的碳基电极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1：向去离子水中加入改性多孔碳材料，超声分散至形成均匀的分散液，得到溶液
①
；S2：将硫掺杂多孔聚吡咯碳纳米管研磨粉碎，过80
‑
100目筛，将其加入去离子水中，超声分散至形成均匀的分散液，得到溶液
②
；S3：将溶液
②
滴加至溶液
①
中，转移至搅拌机中，在400
‑
800r/min的转速下搅拌2
‑
6h，过滤出固体样品，将其置于真空干燥箱中进行干燥，得到具有超高比电容的碳基电极材料。3.根据权利要求2所述的具有超高比电容的碳基电极材料的制备方法，其特征在于，所述改性多孔碳的制备方法包括以下步骤：A1：将1g纤维素和2
‑
4g氢氧化钾倒入30
‑
50mL去离子水中搅拌混合均匀，蒸发溶剂，将固体产物转移至管式炉中，在氮气保护下以700
‑
850℃碳化1
‑
3h，碳化结束后用去离子水和盐酸洗涤产物，真空干燥，得到生物质基多孔碳；A2：向40
‑
80mL质量浓度为20
‑
30％的双氧水中加入1g生物质基多孔碳，混合均匀，在15
‑
35℃下浸渍12
‑
36h，产物干燥后，在盐酸溶液中浸泡12
‑
24h，浸泡结束后，用去离子水洗涤至中性，真空干燥，得到氧化生物质基多孔碳；A3：将氧化生物质基多孔碳加入无水乙醇溶剂中，超声分散20
‑
40min，加入N,N
‑
二环己基碳二亚胺，将体系转移至40
‑
60℃的水浴锅中，搅拌10
‑
30min，继续加入对氨基苯磺酸，搅拌反应12
‑
36h，过滤处固体产物，使用乙醇和去离子水洗涤至中性，将滤饼置于真空干燥箱中干燥，得到改性多孔碳。4.根据权利要求3所述的具有超高比电容的碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：马鹏，候威振，候明富，吴威力，吴聚彬，张纪龙，
申请(专利权)人：亳州市亚珠新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：