一种三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料及其制备方法。本发明专利技术方法首先以硝酸锰和硝酸铝为原料，尿素为碱源，一定温度下搅拌回流得到Mg‑Al层状金属氢氧化物Mg‑Al LDH；冷却后加入一定量多巴胺常温搅拌一定时间，得到聚多巴胺包覆的PL复合材料。接着进行一次刻蚀‑煅烧‑二次刻蚀工艺得到三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料HCF2。本发明专利技术制备工艺和所需设备简单，原料来源丰富且反应温度较低；得到的三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料HCF2不仅热稳定性好、结晶程度高，能量密度和功率密度高，而且形貌可控性强，是理想的能源材料之一。

A three-dimensional capsule like nitrogen doped carbon paper electrode material and preparation method thereof

The invention discloses a capsule shaped three-dimensional nitrogen doped carbon paper electrode material and preparation method thereof. The method of this invention to manganese and aluminum nitrate and urea as the alkali source, temperature circumfluence Mg layered metal hydroxide Mg Al Al LDH; after cooling by adding a certain amount of dopamine at room temperature and stirred for a certain time, get PL composite polydopamine coating. Then a two etching calcination etching process to obtain three-dimensional capsule shaped nitrogen doped carbon paper electrode material HCF2. The preparation process and the required equipment is simple, abundant raw materials and low reaction temperature; the three nitrogen doped capsule shaped carbon paper electrode material HCF2 not only good thermal stability, high crystallinity, high energy density and power density, morphology and strong controllability, is one of the ideal energy materials.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料学
，具体来说，涉及一种三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料及其制备方法。
技术介绍
人类社会发展的进步，能源需求的增大，导致传统的化石能源出现供求危机和环境的恶化，引发的酸雨、温室气体等环保问题日益突出，迫切需要人们不断寻求新的清洁能源。超级电容器和锂电的出现，顺应了人们对新型清洁可再生能源(如太阳能、风能、生物质能、地热能和潮汐能等)的需求。锂电循环寿命长、充放电时间短、能量密度、功率密度高和工作温度的范围较宽、可靠性好等优异的性能和广泛的应用性而日益受到重视，已逐渐替代传统镍氢电池、镉镍电池和铅酸蓄电池，被广泛应用于当今信息时代的各种电子设备，如移动电话、数码相机、摄像机和数字处理机等。近年来，锂离子电池在新一代混合动力汽车(hybridelectricalvehicle，HEV)和纯电动汽车(electricalvehicle，HEV)上的应用也日益受到关注。在超级电容器中，双电层电容器在大功率设备中占据着重要的位置。其中，具有胶囊装结构的碳材料被视为最具有应用前景的双电层电极材料。中空结构的碳材料具有较高的比表面积、短的电子传输路径和良好的电解液润湿性，从而具有优异的电化学性能。氮掺杂碳材料可以在一定程度上提高电子传导性、表面极性和活性位点，通过提高一定的赝电容来提高电极材料的电化学性能。而传统的碳材料制备多以聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等毒性较大的聚合物为碳前躯体，对环境有一定的负面影响。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供胶囊状二维碳纸组成的三维碳电极材料及其制备方法。该方法能解决现有技术中的氮含量不好控制及有毒碳前躯体的使用问题，同时不会对环境造成危害。本专利技术方法首先以硝酸锰和硝酸铝为原料，尿素为碱源，一定温度下搅拌回流得到Mg-AlLDH；冷却后加入一定量多巴胺常温搅拌一定时间，得到聚多巴胺包覆的PL复合材料。接着进行抽滤刻蚀-煅烧-二次刻蚀工艺得到最终产物HCF2。本专利技术具体技术方案介绍如下。一种三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)制备PDA/MgAl-LDH复合材料首先将硝酸锰、硝酸铝、尿素和去离子水混合均匀，回流，自然冷却至室温，得到混合溶液；其中：将硝酸锰、硝酸铝和尿素的质量比为(1-4):19:100；接着向混合溶液中加入多巴胺，常温搅拌，之后洗涤、冷冻干燥得到PDA/MgAl-LDH复合材料；其中多巴胺与硝酸锰的质量比为1：10-1：20；(2)制备三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料首先取PDA/MgAl-LDH复合材料于去离子水中超声分散，再用0.8～1.2mol/L盐酸进行一次刻蚀，抽滤后干燥；接着将干燥产物煅烧，煅烧后产物用4.8～5.2mol/L盐酸进行二次刻蚀，刻蚀结束后，洗涤、干燥，得到三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料。上述步骤(1)中，回流搅拌时间为10～14h。常温搅拌时间为18-26h。冷冻干燥时间为40～50h。上述步骤(2)中，煅烧温度为400-800℃。上述步骤(2)中，一次刻蚀时间为1.5-2h；二次刻蚀时间为5天。本专利技术提供一种上述制备方法得到的三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料。本专利技术的三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料具有高的电容量346Fg-1(0.1Ag-1的电流密度下)和功率密度(5003.15Wkg-1)。本专利技术以Mg-Al层状双金属氢氧化物Mg-AlLDH为硬模板，以多巴胺为碳氮源，掺杂氮元素之后，通过两步刻蚀，得到中空胶囊结构纸状形成的三维碳材料。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术的制备原料来源丰富、反应温度较低，2.通过本专利技术的方法获得的三维胶囊状碳纸电极材料充分利用了氮掺杂碳材料及Mg-AlLDH模板的优点，克服了单纯单独碳材料能量密度低的缺点，不仅热稳定性好、结晶程度高，比表面积大，循环稳定性好，而且形貌可控性强，加入不同质量比的多巴胺会得到包覆聚多巴胺厚度不同的聚合物。此外，该复合材料具有较高的比电容，是理想的能源材料之一。附图说明图1是实施例1所得的Mg-AlLDH在5000的倍率下的扫描电镜图。图2是实施例1所得的PL在7000的倍率下的扫描电镜图。图3是实施例1所得的PL在20000的倍率下的扫描电镜图。图4是实施例2所得的HCF2煅烧之前在5000的倍率下的扫描电镜图。图5是实施例2所得的HCF2煅烧之前在10000的倍率下的扫描电镜图。图6是实施例2所得的HCF2煅烧之后在10000的倍率下的扫描电镜图。图7是实施例2所得的Mg-AlLDH在高分辨下的透射电镜图。图8是实施例2所得的PL在高分辨下的透射电镜图。图9是所得的HCF2电化学性能测试CV图。图10是实施例2所得的HCF2-600电化学性能测试CV图。图11是实施例2所得的HCF2-600循环测试图。图12是实施例所得的材料的XRD图。具体实施方式下面通过具体实施例并结合附图对本专利技术进一步阐述，但并不限制本专利技术。实施例1一种三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)制备PDA/MgAl-LDH(PL)首先，在室温下，将硝酸锰、硝酸铝、尿素和去离子水按4:1:19:100质量比于容器中混合均匀；然后，将上述混合溶液移入圆形烧瓶，100℃条件下回流搅拌；反应结束后，自然冷却至室温。接着将400mg的多巴胺(多巴胺与硝酸锰的质量比为1:10)加入上述反应溶液，常温搅拌一定时间，用去离子水和乙醇洗涤4次，冷冻干燥得到PL复合材料；(2)三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料的制备(HCF2-400)首先，取一定量上述PL溶于去离子水超声分散，用1mol/L的盐酸刻蚀抽滤后自然冷却至室温；接着将上述干燥产物在400℃下煅烧后，用5mol/L的盐酸进行二次刻蚀，用去离子水洗涤产品，80℃条件下干燥得到最终产物HCF2。采用场发射扫描电子显微镜(德国Zeissultra55)仪器，在5000的倍率下上述所得的PL粉末进行扫描，所得的扫描电镜图如图1所示，从图1中可以看出完整正六边形Mg-AlLDH复合材料结构，由此表明了成功制备出Mg-AlLDH；在7000和20000的倍率下，对上述所得复合物PL片状二维材料进行扫描，所得的扫描电镜图如图2所示，从图2和3中可以看出聚多巴胺均匀的分布在正六边形Mg-AlLDH表面，且没有多余的聚多巴胺残留，聚多巴胺的厚度很均匀，由此表明了聚多巴胺和正六边形Mg-AlLDH很好的复合在一起，成功制备出PL片状二维材料。实施例2一种三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)制备PDA/MgAl-LDH(PL)首先，在室温下，将硝酸锰、硝酸铝、尿素和去离子水按3:1:19:100质量比于容器中混合均匀；然后，将上述混合溶液移入圆形烧瓶，100℃条件下回流搅拌；反应结束后，自然冷却至室温。接着将400mg的多巴胺(多巴胺与硝酸锰的质量比为1:15)加入上述反应溶液，常温搅拌一定时间，用去离子水和乙醇洗涤4次,冷冻干燥得到PL复合材料；(2)三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料的制备(HCF2-600)首先，取一定量上述PL溶于去离子水超声分散，用1mol/L的盐酸刻蚀抽滤后自然冷却至室温；接着将上述干燥产物在600℃下煅烧后，用5mol\本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)制备PDA/MgAl‑LDH复合材料首先将硝酸锰、硝酸铝、尿素和去离子水混合均匀，回流，自然冷却至室温，得到混合溶液；其中：将硝酸锰、硝酸铝和尿素的质量比为(1‑4):19:100；接着向混合溶液中加入多巴胺，常温搅拌，之后洗涤、冷冻干燥得到PDA/MgAl‑LDH复合材料；其中多巴胺与硝酸锰的质量比为1：10‑1：20；(2)制备三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料首先取PDA/MgAl‑LDH复合材料于去离子水中超声分散，再用0.8～1.2mol/L盐酸进行一次刻蚀，抽滤后干燥；接着将干燥产物煅烧，煅烧后产物用4.8～5.2mol/L盐酸进行二次刻蚀，刻蚀结束后，洗涤、干燥，得到三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)制备PDA/MgAl-LDH复合材料首先将硝酸锰、硝酸铝、尿素和去离子水混合均匀，回流，自然冷却至室温，得到混合溶液；其中：将硝酸锰、硝酸铝和尿素的质量比为(1-4):19:100；接着向混合溶液中加入多巴胺，常温搅拌，之后洗涤、冷冻干燥得到PDA/MgAl-LDH复合材料；其中多巴胺与硝酸锰的质量比为1：10-1：20；(2)制备三维氮掺杂胶囊状碳纸电极材料首先取PDA/MgAl-LDH复合材料于去离子水中超声分散，再用0.8～1.2mol/L盐酸进行一次刻蚀，抽滤后干燥；接着将干燥产物煅烧，煅烧后产物用4.8～5....

【专利技术属性】
技术研发人员：韩生，陈红艳，陈达明，常兴，刘金宝，蔺华林，刘平，赵志成，周嘉伟，许广文，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31