本发明专利技术提供一种超级电容器电极材料及其制备方法。本发明专利技术采用化学氧化法制备的聚苯胺纳米管作为前躯体，在氮气氛围，６００℃～１０００℃温度下进行碳化。所得聚苯胺基含氮碳纳米管具有两端开口的中空结构，长度０．５～２μｍ，管径１００～１７０ｎｍ，氮含量５～１３％。该电极材料在０．１Ａ／ｇ的电流密度下，稳定的比电容量高达１６３Ｆ／ｇ；电流密度从０．１Ａ／ｇ逐渐增大到１Ａ／ｇ时，容量保持率在８２％。具有较高的放电比容量和良好的循环稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超级电容器电极材料领域，特别涉及一种聚苯胺基含氮碳纳米管电极 材料及其制备方法。
技术介绍
在高速发展的现代社会中，随着环境污染的加剧，新型绿色储能元件的开发迫 在眉睫。超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件，具有高达1 IOffh · kg—1能量密度，比传统的电容器大10 100倍；其功率密度可以达到2kW · kg—1左 右，是传统电池的10倍以上。且具有很好的循环效率和超长的循环寿命(10万次以上) 0目前作为超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、碳纳米管和炭气凝胶等。 活性炭虽具有很高的比表面积(2860m2 · g—1)，但含有大量不能被电解质浸润的微孔，有效 比表面积仅有22. 7%，比容量仅为130F · g-1 ；碳纳米管具有良好的导电性，中孔分布有 利于双电层的形成，且孔道连通，不存在盲孔，利于电解液扩散。但是碳纳米管由于比表 面积比较小(100-400m2 · g—1)，放电比容量仅为40-80F · g—1，且价格昂贵；炭气凝胶比容 量为110F · g—1左右，但制备周期漫长，且需要超临界干燥等因素制约了它的商品化发展 0含氮碳纳米管作为超级电容器的电极材料是目前研究的热点之一。通过将氮原子 引入石墨片层结构，破坏材料本身的规整性，使原子的最低占据轨道和最高占据轨道的能 级发生变化，从而降低原子之间的轨道能级，提高材料电子的给予能力，进而达到提高材料 电学性能的效果。目前研究人员多从碳纳米管出发，通过氢氧化钾活化和氨化处理使材料 中插入氮原子或者将碳纳米管和含有氮源的物质混合高温处理，比如，先将碳纳米管用氢 氧化钾溶液浸泡活化，再将样品在氨气气氛下高温处理即可得含氮碳纳米管； 或者将三聚氰胺、甲醛和碳纳米管在惰性气氛下经过高温处理可得含氮碳纳米管 。 但是这类方法生产工艺复杂，生产成本较高，不利于实现工业化生产。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种新的超级电容器电极材料——聚苯胺基 含氮碳纳米管。为达到提供一种新的超级电容器电极材料的目的，本专利技术采用的技术方案是 一种聚苯胺基含氮碳纳米管，其具有两端开口的中空结构，长度0. 5 2 μ m，管径100 170nm，氮含量5 13%。本专利技术的另一个目的是提供一种聚苯胺基含氮碳纳米管的制备方法，按下列方法 制得步骤一按摩尔浓度比1 5 5 5配制等体积的苯胺溶液和过硫酸铵溶液，然 后将两溶液混合，室温下反应12 36h，之后抽滤，并将产物用无水乙醇和去离子水清洗至 滤液PH值为中性，真空50°C烘干，得到聚苯胺纳米管；步骤二 取步骤一所得聚苯胺纳米管，在氮气气氛下逐步加热至600 1000°C，保 温2 5小时，得到聚苯胺基含氮碳纳米管。本专利技术进一步的优选方案是所述苯胺溶液和过硫酸铵溶液选自lmol/L的盐酸、 硫酸、磷酸或去离子水溶液中的一种。本专利技术的又一个目的是提供一种聚苯胺基含氮碳纳米管制备的超级电容器电极 材料，由下述组分按质量百分比组成聚苯胺基含氮碳纳米管80%，乙炔黑10%，粘结剂 10%。本专利技术采用含氮碳纳米管作为超级电容器电极材料。含氮碳纳米管内部孔道连通 以及两端开口结构利于电解液的扩散和浸润，从而提高其有效比表面积。将氮原子引入规 整的碳结构中，可以在碳材料双电层电容的基础上引入氧化还原赝电容，两种电容的双重 作用可以有效提高电极材料的比电容。因此含氮碳纳米管是一种电化学性能优良的超级电 容器的电极材料。本专利技术通过化学氧化法制备聚苯胺纳米管、再经炭化过程就能得到聚苯胺基含氮 碳纳米管。工艺简单、材料制备成本低，易实现大规模生产。使用聚苯胺基含氮碳纳米管电极材料的超级电容器放电比容量在133-167F · g—1 之间，远高于碳纳米管的比容量(40-80F · g-1)，电流密度从0. lA/g逐渐增大到lA/g时，容 量保持率在82%。表现了良好的功率性能和循环性能。附图说明附图1为700°C碳化温度下所得聚苯胺基含氮碳纳米管的扫描电镜图。附图2为700°C碳化温度下所得聚苯胺基含氮碳纳米管的透射电镜图。附图3为碳化温度分别为600、700、850°C和1000°C下所得聚苯胺基含氮碳纳米管的氮元素含量变化图。附图4为碳化温度分别为600、700、850和1000°C下所得聚苯胺基含氮碳纳米管的放电比容量与电流密度的关系曲线图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明实施例1称取1. Ilg苯胺与3. 4g过硫酸铵分别溶解在60ml去离子水中，配制摩尔浓度比 为4 5的苯胺溶液与过硫酸铵溶液，然后将过硫酸铵溶液迅速倒入苯胺溶液中，室温反应24h。将抽滤所得产物分别用去离子水和乙醇溶液清洗至滤液pH值为中性，真空50°C烘干， 得聚苯胺纳米管。将聚苯胺纳米管作为前躯体装入氧化铝坩埚，然后放入卧式炭化炉中，在氮气气 氛下加热，升温速率为0. 5°C · mirT1，从室温升温至400°C时保温2h，继续加热至700°C，保 温4小时，得聚苯胺基含氮碳纳米管。按质量比8 1 1称取0. 008g聚苯胺基含氮碳纳米管，0. OOlg乙炔黑，0. OOlg粘结剂。混合均勻后制得电极材料。如附图1扫描电镜(SEM)所示聚苯胺基含氮碳纳米管长度为0.5 2μπι，管径 100 170nm;如附图2透射电镜(TEM)分析表明，聚苯胺基含氮碳纳米管具有中空开口结 构；如附图3所示700°C碳化处理得到的聚苯胺基含氮碳纳米管的含氮量为10. 88% ；如附 图4电化学性能测试结果表明，该电极材料在0. IA .g-1电流密度下的放电比容量可以达到 163F · g-1 ；在IA · g-1电流密度下循环100次后，放电比容量能保持133F · g-1。实施例2聚苯胺纳米管的制备方法同实施例1，不同的是在炭化炉中氮气气氛下加热，升温 速率为0. 5°C · mirT1，从室温升温至400°C时保温2h，继续加热至600°C，保温5小时，得聚苯胺基含氮碳纳米管。如附图3所示600°C碳化处理得到的聚苯胺基含氮碳纳米管的含氮量为13% ；如 附图4电化学性能测试结果表明，该电极材料在0. IA .g-1电流密度下的放电比容量可以达 到112F · g-1 ；IA · g-1电流密度下循环100次后，放电比容量能保持52F · g-1。实施例3聚苯胺纳米管的制备方法同实施例1，不同的是在炭化炉中氮气气氛下加热，升温 速率为0. 5°C · mirT1，从室温升温至400°C时保温2h，继续加热至850°C，保温3小时，得到聚苯胺基含氮碳纳米管。如附图3所示850°C处理得到的聚苯胺基含氮碳纳米管的含氮量为7. 95% ；如附 图4电化学性能测试结果表明，利用该材料制备的电极材料在0. IA .g-1电流密度下的放电 比容量可以达到IlOF .g-1 ；IA .g-1电流密度下循环100次后，放电比容量能保持99. 5F .g—1。实施例4聚苯胺纳米管的制备方法同实施例1，不同的是在炭化炉中氮气气氛下加热，升温 速率为0. 50C · mirT1，400°C时保温2h，继续加热至1000°C，保温2小时，得到聚苯胺基含氮 碳纳米管。如附图3所示1000°C处本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚苯胺基含氮碳纳米管，其特征在于所述聚苯胺基含氮碳纳米管具有两端开口的中空结构，长度０．５～２μｍ，管径１００～１７０ｎｍ，氮含量５～１３％。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宋怀河，杨苗苗，陈晓红，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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