生物质基氮掺杂三维多级孔碳材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种利用玉米芯等生物质制备超级电容器用氮掺杂三维多级孔碳材料的新方法。具体涉及一种以玉米芯等生物质为原料，通过氮源的引入，结合化学活化一步合成高性能超级电容器用氮掺杂三维多级孔碳材料的新方法。本发明专利技术包括具体步骤如下：首先将粉碎后的玉米芯、活化试剂、尿素按一定比例混合，向其中加入一定量蒸馏水后混合均匀，浸渍一段时间后将混合物烘干至一定水分，再将其在氮气保护下于管式炉中高温活化一段时间，固体过滤、洗涤、干燥得到超级电容器用高性能氮掺杂的三维多级孔碳材料。

Method for preparing biomass based nitrogen doped three-dimensional multi-stage pore carbon material

The invention discloses a novel method for preparing a nitrogen doped three-dimensional multilevel porous carbon material using a corn cob and other biomass. The invention relates to a novel method for synthesizing nitrogen doped three-dimensional multilevel porous carbon material by using the corn cob and other biomass as the raw material, through the introduction of nitrogen source and chemical activation. The present invention includes specific steps are as follows: first crushed corncob, activation reagent, urea mixed in a certain proportion, which added to a certain amount of distilled water after mixing, soaking after a period of time will be a mixture of dried to a certain moisture content, and then under the protection of nitrogen in high temperature tube furnace activation for a period of time. Solid filtration, washing and drying to obtain three-dimensional hierarchical porous carbon materials for supercapacitor with high performance of nitrogen doped.

【技术实现步骤摘要】
生物质基氮掺杂三维多级孔碳材料的制备方法
本专利技术涉及一种生物质基氮掺杂三维多级孔碳材料的制备方法，具体涉及一种将生物质与氮源、活化试剂混合，在一定条件下高温活化制备高性能超级电容器用氮掺杂三维多级孔碳材料的新方法。
技术介绍
超级电容器由于具有充放电速率快、高能力密度和功率密度、优异的循环稳定性以及高稳定性而成为科研工作者们广泛关注的储能设备。根据能源储存机理不同超级电容器可分为双电层和赝电容两种电容器，电极材料是决定超级电容能性能的关键因素之一。多孔碳由于具有大的比表面积大，稳定的化学性质，大的孔体积、连通且均一的孔道、可调的孔径等诸多优点而成为具有应用前景的超级电容器电极材料，其中三维多级孔碳材料由于其自身孔道结构特点也备受关注。其微孔可增大材料表面积使电容器在小电流下具有较大比电容；介孔孔道能够促进离子传输动力学过程，使大电流下获得较大比容量；大孔相当于离子储存容器，有利于电解液离子的扩散和传输，因此具有微、介和大孔共存的三位多孔碳材料有利于提升超阶级电容器性能。近来，为了进一步提高多孔碳材料在这些方面的应用，通常将N、B、S等杂原子或含杂原子的基团如硝基，氨基，磺酸基等掺杂到多孔碳材料的表面或结构中，使其各方面的性能得到改进和提高。在众多的掺杂当中，氮的掺杂备受科研工作者的青睐。如何实现简便可控的氮掺杂三维多级孔碳材料的制备成为研究的关键。三维多孔碳材料的合成中碳源的选择也是研究的重要问题，结合环境友好、可持续发展的目标，很多科研工作者将目光转向生物质碳源，生物质在自然界中储存量大，可再生，因为成为合成碳材料的优质碳源。生物质中富含半纤维素、纤维素和木质素，每种组分具有各自的分子存在形式，三组分相互贯穿形成三维空间结构，因此可利用天然的骨架结构，结合适当的化学活化，同时引入氮源合成具有三维多级孔结构的氮掺杂的多孔碳材料，以其为电极材料提高超级电容器性能。本专利是以玉米芯等生物质为原料，通过氮源的引入，再结合化学活化一步合成高性能超级电容器用氮掺杂三维多级孔碳材料。本路线合成方法简便，通过控制氮源和活化试剂的加入量控制多孔碳材料的孔隙发达程度和氮的掺杂量，最终制备高性能超级电容器用氮掺杂三维多级孔碳材料。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种以玉米芯等生物质为原料合成高性能超级电容器用氮掺杂三维多级孔碳材料的新方法。本专利技术首先将一定量粉碎后玉米芯、活化试剂、尿素按质量比1∶2∶2～1∶5∶5(g/g/g)混合，向其中加入30mL蒸馏水混合均匀，将混合物浸渍12h后在100℃烘箱中干燥10h，将干燥后的混合物在700～1000℃管式炉中活化处理1～3h，固体洗涤、干燥，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料进行电化学性能测试。本专利技术的特征在于：所述活化剂为碳酸氢钾和氢氧化钾的混合物或碳酸氢钾和氢氧化钠的混合物。具体实施方式实施例1：将粉碎后玉米芯、活化试剂、尿素按质量比1∶4∶3(g/g/g)混合，向其中加入30mL蒸馏水混合均匀，将混合物浸渍12h后在100℃烘箱中干燥10h，将干燥后的混合物在800℃管式炉中活化1h，固体洗涤、干燥，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料进行电化学性能测试，以6mol/L的氢氧化钾为电解液，在0～1.0v电压范围内，测得比容量为306F/g，循环5000次容量保持率为97％左右。实施例2：改变玉米芯、活化试剂、尿素的质量比为1∶5∶3(g/g/g)，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为282F/g，循环5000次容量保持率为97％左右。实施例3：改变玉米芯、活化试剂、尿素的质量比为1∶5∶2(g/g/g)，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为276F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。实施例4：改变玉米芯、活化试剂、尿素的质量比为1∶3∶2(g/g/g)，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为284F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。实施例5：改变玉米芯、活化试剂、尿素的质量比为1∶4∶1(g/g/g)，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为245F/g，循环5000次容量保持率为97％左右。实施例6：改变混合物的活化温度为900℃，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为293F/g，循环5000次容量保持率为97％左右。实施例7：改变混合物的活化温度为700℃，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为271F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。实施例8：改变活化时间为2h，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为276F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。实施例9：改变活化试剂为碳酸氢钾和氢氧化钠的混合物，其他条件同实施例1，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料的比电容为268F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器用生物质基氮掺杂三维多级孔碳材料的制备方法，其具体步骤如下：首先将粉碎后的生物质、活化试剂、尿素按质量比1∶2∶2～1∶5∶5(g/g/g)混合，向其中加入一定量蒸馏水混合均匀，将混合物浸渍12h后在100℃烘箱中干燥10h，将干燥后的混合物在700～1000℃管式炉中活化处理1～3h，固体洗涤、干燥，得到的氮掺杂三维多级孔碳材料进行电化学性能测试。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器用生物质基氮掺杂三维多级孔碳材料的制备方法，其具体步骤如下：首先将粉碎后的生物质、活化试剂、尿素按质量比1∶2∶2～1∶5∶5(g/g/g)混合，向其中加入一定量蒸馏水混合均匀，将混合物浸渍12h后在100℃烘箱中干燥10h，将干燥后的混合物在700～1000℃管式炉中活化处理1～3h，固体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽丽，逯文启，杨坤龙，李艳婷，吴晓芬，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12