一种自掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电极材料技术领域，具体涉及一种自掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的自掺杂多孔碳材料的制备方法：将豆粕加热进行炭化，得到豆粕炭化产物；将所述豆粕炭化产物和活化剂混合后加热，在保护气体氛围中进行热解反应，得到所述自掺杂多孔碳材料；所述活化剂为碱金属碳酸盐。本发明专利技术提供的制备方法将含氮物料豆粕通过作为氮源碳源，将豆粕的炭化产物和碱金属碳酸盐活化剂直接混合加热进行热解反应，得到的自掺杂多孔碳材料孔隙结构发达，孔容量大、比表面积高、比电容高，电化学性能稳定，在恒电流充放电测试中，当电流密度为1A/g时比电容可达到310.70F

【技术实现步骤摘要】
一种自掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，具体涉及一种自掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在对能源存储设备的研究中，超级电容器因同时兼具可再生和绿色环保的优点，同时其功率密度较高，稳定性也强，所以颇受关注。电极材料的选择对超级电容器的性能起着关键性的影响。能够应用于超级电容器的电极材料有很多种，近年来将多孔炭材料作为电极材料应用于超级电容器电极的研究较为广泛，这是因为多孔炭材料的比表面积与一般材料相比较高，且价格低廉，导电性也优良，将其应用于超级电容器的电极是一种及其理想的材料。但是，目前多孔碳材料作为超级电容器电极材料时的比电容仍然较低，小于180F/g，限制了多孔碳材料在超级电容器中的应用。
[0003]据报道，2021年我国的豆粕年产量高达7972万吨，作为大豆榨油后的副产物，豆粕产量丰富，来源广泛。目前，由于豆粕中的蛋白质含量较高，大部分被作为饲料进行加工用于畜牧行业，使得豆粕的利用价值较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种自掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的自掺杂多孔碳材料具有高比电容的特点，能够作为超级电容器的电极材料应用。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种自掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将豆粕加热进行炭化，得到豆粕炭化产物；
[0008]将所述豆粕炭化产物和活化剂混合后加热，在保护气体氛围中进行热解反应，得到所述自掺杂多孔碳材料；所述活化剂为碱金属碳酸盐。
[0009]优选的，所述活化剂为K2CO3。
[0010]优选的，所述豆粕炭化产物和活化剂的质量比为1:(2～4)。
[0011]优选的，所述热解反应的温度为500～800℃，所述热解反应的保温时间为1～3h。
[0012]优选的，由室温升温至所述热解反应的温度的升温速率为1～10℃/min。
[0013]优选的，所述炭化的温度为350～450℃，所述炭化的保温时间为1～3h。
[0014]优选的，由室温升温至所述炭化的温度的升温速率为1～10℃/min。
[0015]优选的，所述炭化之前，还包括将所述豆粕进行干燥，将干燥后的豆粕进行所述炭化；所述干燥的温度为60～100℃。
[0016]本专利技术提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的自掺杂多孔碳材料，所述自掺杂多孔碳材料为自体氮掺杂多孔碳材料，氮元素占所述自掺杂多孔碳材料的质量百分含量＞1.5％；所述自掺杂多孔碳材料的孔容量＞0.5cm3/g。
[0017]本专利技术提供了上述技术方案所述的自掺杂多孔碳材料作为超级电容器的电极材
料的应用。
[0018]本专利技术提供了一种自掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将豆粕加热进行炭化，得到豆粕炭化产物；将所述豆粕炭化产物和活化剂混合后加热，在保护气体氛围中进行热解反应，得到所述自掺杂多孔碳材料；所述活化剂为碱金属碳酸盐。本专利技术提供的制备方法将含氮物料豆粕通过作为氮源碳源，将豆粕的炭化产物和碱金属碳酸盐活化剂直接混合加热进行热解反应，在热解反应的升温过程中豆粕的炭化产物中产生各种气体小分子对碳框架材料进行物理活化，豆粕的炭化产物形成大量的大孔，氮掺杂的碳框架材料初步形成；在热解反应的保温过程中，活化剂进行氧化还原反应造孔，形成大量微孔，同时碳框架材料中掺杂的氮原子促进部分微孔转化为介孔，有助于碳框架材料发达孔隙结构的生成。本专利技术提供的制备方法得到的自掺杂多孔碳材料孔隙结构发达，孔容量大、比表面积高、比电容高，电化学性能稳定，在恒电流充放电测试中，当电流密度为1A/g时比电容可达到310.7F
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‑1。而且本专利技术提供的制备方法原料易得，操作简便，耗能少，且能够使豆粕得到绿色环保且高效利用，提高了豆粕的工业生产附加值。
[0019]进一步的，本专利技术中所述热解反应的温度为500～800℃，所述热解反应的保温时间为1～3h。本专利技术提供的热解反应的温度以及热解反应保温时间，在实现热解反应充分造孔的同时能够有效避免多孔碳材料孔道坍塌，得到孔隙结构发达，且孔结构稳定的自掺杂多孔碳材料。
[0020]本专利技术提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的自掺杂多孔碳材料，所述自掺杂多孔碳材料为氮掺杂多孔碳材料，氮元素占所述自掺杂多孔碳材料的质量百分含量＞1.5％；所述自掺杂多孔碳材料的孔容量＞0.5cm3/g。本专利技术提供的自掺杂多孔碳材料孔隙结构发达，孔容量大、比表面积高、比电容高，电化学性能稳定，在恒电流充放电测试中，当电流密度为1A/g时比电容可达到310.70F
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‑1。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1制备的自掺杂多孔碳材料在电流密度为1A/g时的充放电曲线图；
[0022]图2为本专利技术实施例2制备的自掺杂多孔碳材料在电流密度为1A/g时的充放电曲线图；
[0023]图3为本专利技术实施例3制备的自掺杂多孔碳材料在电流密度为1A/g时的充放电曲线图；
[0024]图4为本专利技术实施例4制备的自掺杂多孔碳材料在电流密度为1A/g时的充放电曲线图；
[0025]图5为本专利技术实施例5制备的自掺杂多孔碳材料在电流密度为1A/g时的充放电曲线图；
[0026]图6为本专利技术实施例6制备的自掺杂多孔碳材料在电流密度为1A/g时的充放电曲线图；
[0027]图7为本专利技术实施例7制备的自掺杂多孔碳材料在电流密度为1A/g时的充放电曲线图。
具体实施方式
[0028]本专利技术提供了一种自掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0029]将豆粕加热进行炭化，得到豆粕炭化产物；
[0030]将所述豆粕炭化产物和活化剂混合后加热，在保护气体氛围中进行热解反应，得到所述自掺杂多孔碳材料；所述活化剂为碱金属碳酸盐。
[0031]在本专利技术中，若无特殊说明，所有制备原料/组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
[0032]本专利技术将豆粕加热进行炭化，得到豆粕炭化产物。
[0033]本专利技术对所述豆粕的来源没有特殊要求。
[0034]在本专利技术的具体实施例中，所述豆粕为生产大豆油企业的副产物豆粕。
[0035]在本专利技术中，所述炭化之前，本专利技术优选还包括将所述豆粕进行干燥，将干燥后的豆粕进行所述炭化；所述干燥的温度为60～100℃。
[0036]在本专利技术中，所述干燥优选在鼓风烘干箱中进行。
[0037]在本专利技术中，所述干燥的温度优选为60～100℃，更优选为65～100℃。
[0038]本专利技术对所述干燥的保温时间没有特殊要求，将所述豆粕干燥至恒重即可。在本专利技术中，所述恒重具体优选为恒重12h质量不发生变化。
[0039]在本专利技术中，所述炭化优选在箱式炉或管式炉中进行。
[0040]在本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将豆粕加热进行炭化，得到豆粕炭化产物；将所述豆粕炭化产物和活化剂混合后加热，在保护气体氛围中进行热解反应，得到所述自掺杂多孔碳材料；所述活化剂为碱金属碳酸盐。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活化剂为K2CO3。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述豆粕炭化产物和活化剂的质量比为1:(2～4)。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热解反应的温度为500～800℃，所述热解反应的保温时间为1～3h。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，由室温升温至所述热解反应的温度的升温速率为1～10℃/min。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉鹏，康晓婷，原徐娜，葛晓豪，李雅洁，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：