一种杂原子掺杂高比表面积多孔炭材料的制备方法及其用途技术

本发明专利技术公开一种杂原子掺杂多孔炭材料的制备方法及其在超级电容器储能方面的应用，本发明专利技术利用有机分子单体可以在氧气气氛下聚合或者直接高温碳化的特性，通过采用无溶剂混合或者有溶剂混合将有机分子单体和草酸盐或者先将有机分子单体和草酸混合，再加入碱金属化合物混合均匀得到目标前驱体，再将目标前驱体在氧气气氛下进行聚合

【技术实现步骤摘要】
一种杂原子掺杂高比表面积多孔炭材料的制备方法及其用途


[0001]本专利技术属于超级电容器
，涉及一种杂原子掺杂高比表面积多孔炭材料的制备方法及其用途，尤其涉及用于超级电容器的杂原子掺杂高比表面积多孔炭材料的制备方法
。

技术介绍

[0002]超级电容器以其高功率密度
、
快速充放电和长期稳定性等优点引起广泛的关注
。
多孔炭材料由于其具有大的比表面积，良好的孔结构和优异的导电性等被广泛应用于超级电容器领域，是最早的超级电容器商业电极
。
[0003]传统的制备多孔炭材料说我方法通常是采用碳化和随后的富碳前提活化两步工艺来制备，虽然这些炭基材料具有良好的性能，但是其整体制备过程相对复杂，并且碳前驱体由于结构较稳定，在后期与活化剂进行混合时，碳和活化剂的混合不均匀导致所制备的碳材料具有较低的比表面积
。
此外，需要加入很大量的
KOH
造孔剂才能得到理想的比表面积，同时在此过程中原料中的碳被大量的消耗，因而导致炭基材料的产率低
。
[0004]公开号为
CN113800518A
的专利文献公开了一种氮掺杂高比表面积多孔炭材料及其制备方法和用途，其提供了一种氮掺杂高比表面积多孔炭材料及其制备方法和在超级电容器储能方面的应用
。
该方法是利用有机胺类单体在高温氧气气氛下能发生聚合的特性，在聚合前采用物理方法
(
如研磨
、
球磨等干磨
)/>将有机胺单体和活化剂直接混合均匀，然后利用高温管式炉，先在氧化气氛下进行聚合，然后再转换为惰性气氛进行碱活化，最后用酸和水依次浸泡，最终得到平均孔径为
0.5
～
10nm
，氮气吸附测定比表面积在
2000
～
4000m2/g
之间的氮掺杂多孔炭材料
。
该多孔炭材料在超级电容器方面具有优异的性能，在
1mol/L
硫酸锂作为电解质，电化学稳定窗口为
1.7V vs RHE
，扫描速率在
2mV/s
时质量比电容为
320F/g。
虽然上述方法所得到的多孔炭具有大的比表面积，但是其所使用的碱量较大，导致所得到的炭材料的产量很低
。

技术实现思路

[0005]为了改善现有技术的两步活化法和一步碱活化法制备多孔炭材料工艺的缺点，本专利技术提供一种杂原子掺杂高比表面积多孔炭材料的制备方法及其用途，所述方法是将有机分子单体和草酸盐活化剂直接混合均匀得到前驱体，或者将有机分子单体和草酸先混合均匀，再加入碱金属化合物继续混合均匀得到前驱体
。
通过将前驱体低温氧气聚合
、
高温活化或者直接一步高温活化过程制备得到平均孔径在
0.5
～
10nm
，氮气吸附测定比表面积在
1000
～
4000m2/g
之间的杂原子掺杂高比表面积多孔炭材料
。
本专利技术的有机分子单体聚合时可以对造孔剂进行包覆，使得活化是从内向外进行，并且由于草酸盐在碳化过程中会发生分解生成
CO2，因而有助于进行活化，相比于传统高碱量的
KOH
，本专利技术制备方法对于设备的要求更低，并且可以很好地保持前驱体的形貌
。
[0006]本专利技术目的是通过如下技术方案实现的：
[0007]一种杂原子掺杂多孔炭材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0008](1)
将有机分子单体和草酸盐混合得到前驱体；或者将有机分子单体和草酸混合，再加入碱金属化合物继续混合得到前驱体；或者将有机分子单体和草酸通过溶液搅拌反应之后，过滤得到反应物，将其干燥之后再和碱金属化合物继续混合得到前驱体；然后将混合得到的前驱体在氧气气氛下进行聚合处理；
[0009](2)
将步骤
(1)
制备的前驱体在惰性气氛或者还原性气氛下进行活化处理，得到所述杂原子掺杂多孔炭材料
。
[0010]根据本专利技术，步骤
(1)
中，所述有机分子单体选自对苯二胺
、
邻苯二胺
、
间苯二胺
、
联苯胺
、3,3
‑
二氨基联苯胺
、
对苯二甲胺
、
邻苯二甲胺
、
间苯二甲胺
、
二氨基二苯甲烷
、3,3',5,5'
‑
四甲基联苯胺
、N
‑
甲基
‑
1,2
‑
苯二胺
、
苯胺
、
多巴胺
、
吡啶
、1
‑
氨基吡啶
、2
‑
氨基吡啶
、3
‑
氨基吡啶
、
吡咯
、1
‑
氨基吡咯
、2
‑
氨基吡咯
、3
‑
氨基吡咯
、
邻氨基苯酚
、
对氨基苯酚
、
间氨基苯酚
、
对氨基苯甲酸
、
间苯二甲酸
、1,3,5
‑
三苯甲酸
、3,5
‑
二氨基苯磺酸
、2,4
‑
二氨基苯甲酸
、
对氨基苯硼酸
、
对氨基苯磷酸中的一种
、
两种或者多种
。
[0011]根据本专利技术，步骤
(1)
中，所述草酸盐选自草酸锂
、
草酸钠
、
草酸钾
、
草酸铷
、
草酸铯
、
草酸铍
、
草酸镁
、
草酸钙
、
草酸锶
、
草酸钡
、
草酸铁
、
草酸钴
、
草酸镍
、
草酸锰
、
草酸铜
、
草酸锌中的一种
、
两种或者多种
。
[0012]根据本专利技术，步骤
(1)
中，所述碱金属化合物选自碱金属的氢氧化物
、
碱土金属的氢氧化物中的一种
、
两种或者多种
。
[0013]根据本专利技术，所述碱金属选自锂
(Li)、
钠
(Na)、
钾
(K)、
铷
(Rb)、
铯
(Cs)
；所述碱土金属选自铍
(Be)、
镁
(Mg)、
钙
(Ca)、
锶<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种杂原子掺杂多孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)
将有机分子单体和草酸盐混合得到前驱体，或者将有机分子单体和草酸混合，再加入碱金属化合物继续混合得到前驱体；或者将有机分子单体和草酸通过溶液混合，再加入碱性金属化合物继续混合得到前驱体；然后将混合得到的前驱体在氧气气氛下进行聚合处理；
(2)
将步骤
(1)
制备的前驱体在惰性气氛或者还原性气氛下进行活化处理，得到所述杂原子掺杂多孔炭材料
。2.
如权利要求1所述的制备方法，步骤
(1)
中，所述有机分子单体选自对苯二胺
、
邻苯二胺
、
间苯二胺
、
联苯胺
、3,3
‑
二氨基联苯胺
、
对苯二甲胺
、
邻苯二甲胺
、
间苯二甲胺
、
二氨基二苯甲烷
、3,3',5,5'
‑
四甲基联苯胺
、N
‑
甲基
‑
1,2
‑
苯二胺
、
苯胺
、
多巴胺
、
吡啶
、1
‑
氨基吡啶
、2
‑
氨基吡啶
、3
‑
氨基吡啶
、
吡咯
、1
‑
氨基吡咯
、2
‑
氨基吡咯
、3
‑
氨基吡咯
、
邻氨基苯酚
、
对氨基苯酚
、
间氨基苯酚
、
对氨基苯甲酸
、
间苯二甲酸
、1,3,5
‑
三苯甲酸
、3,5
‑
二氨基苯磺酸
、2,4
‑
二氨基苯甲酸
、
对氨基苯硼酸
、
对氨基苯磷酸中的一种
、
两种或者多种
。3.
如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中，所述草酸盐选自草酸锂
、
草酸钠
、
草酸钾
、
草酸铷
、
草酸铯
、
草酸铍
、
草酸镁
、
草酸钙
、
草酸锶
、
草酸钡
、
草酸铁
、
草酸钴
、
草酸镍
、
草酸锰
、
草酸铜
、
草酸锌中的一种
、
两种或者多种
。
优选地，步骤
(1)
中，所述碱金属化合物选自碱金属的氢氧化物
、
碱土金属的氢氧化物中的一种
、
两种或者多种
。
优选地，所述碱金属选自锂
(Li)、
钠
(Na...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅文武，申仲荣，
申请(专利权)人：厦门稀土材料研究所，
类型：发明
国别省市：