一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料，由壳聚糖，琼脂，戊二醛，经混合搅拌，冷冻干燥，活化处理，碳化，洗涤，干燥制得，具有三维网状结构，其比表面积为1800~2200 m

【技术实现步骤摘要】
一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料及其制备方法和应用
本专利技术属于电化学超级电容器领域，具体涉及一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的制备方法及应用。
技术介绍
随着人口的急剧增长和经济的快速发展，资源与能源的日渐短缺成为当代社会亟待解决的重要问题之一。因此，清洁可再生能源的开发与应用对国家经济发展以及解决环境问题起到关键的作用。电能，风能，太阳能，潮汐能等都受到广泛的关注，而找到合适的储能装置是至关重要的环节。超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置，具有功率密度高，循环寿命长，充放电速率快，使用温度范围宽，对环境无污染等优点，被应用于电动汽车，航空航天以及国防科技等领域。超级电容器的材料主要分为三种：碳材料，导电聚合物以及金属氧化物。其中，碳材料具有比表面积大，成本低，导电性好等优点。纯碳材料表面疏水，增加了电解液离子和孔的接触电阻很大程度的影响了电容特性，并且碳材料只能形成双电层电容，比赝电容低了近100倍，而掺杂氮元素会在碳材料表面引入官能团，可使碳材料表面润湿性得到提高，导电性能大幅度提升，所以掺氮多孔碳作为电极材料引起大家的广泛关注。三维碳材料由于其微观形貌较好，比表面积较大，三维结构更有利于电子传输而受到广大学者关注，但三维多孔碳材料也面临合成工艺复杂，成本高等缺点。文章《KOH-activatedcarbonaerogelsderivedfromsodiumcarboxymethylcelluloseforhigh-performancesupercapacitorsanddyeadsorption》公开的三维多孔碳材料，需要三天时间合成碳气凝胶，并且原料繁多，合成工艺复杂，在0.5Ag-1时电容量仅达到152.6Fg-1。如何简便地构建微观形貌良好的三维多孔碳材料，成为近年来研究的热点，壳聚糖价格低廉，导电性能好，交联性能好，本身具有丰富氮元素，不需要另外添加氮源，直接烧结而成的自掺氮多孔碳材料可应用在超级电容器领域，但文章《Graphene-basednitrogenself-dopedhierarchicalporouscarbonaerogelsderivedfromchitosanforhighperformancesupercapacitors》公开的纯壳聚糖自掺杂多孔碳材料，得到二维片层结构材料，比表面积较小，在0.2Ag-1时电容量仅达到197Fg-1。因此，现有技术亟待解决的技术问题是：利用成本低廉的原料，在其自身具有的微观结构基础上，采用简单的制备工艺，制备出具有三维多孔结构的碳材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用壳聚糖独特的二维片层结构和交联性质，掺杂合适的碳源，构建出具备三维网状结构的多孔碳材料，提升壳聚糖的导电性及电容性的技术效果。同时，利用琼脂具有丰富的孔道结构，并且同样具备交联的性质，在交联剂戊二醛的作用下，获得交联的壳聚糖/琼脂的复合材料。使材料在碳化过程获得三维网状结构，并且同时大幅提高碳材料的比表面积，进而大幅度提升电化学性能。最终，实现简化合成工艺，缩减合成时间的技术效果，并且，采用冷冻干燥技术代替常规的真空干燥等干燥手段，起到有效保护材料的三维网状结构的技术效果，从而提高材料的循环稳定性，得到高比电容，低成本的电极材料。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料，由壳聚糖，琼脂，戊二醛在酸性条件下常温搅拌得到自掺氮凝胶，经冷冻干燥，碱性无机物活化处理，碳化，洗涤，干燥制得，所述的掺氮多孔碳材料比表面积范围为1800~2200m2g-1。三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1）自掺氮凝胶的制备和干燥，将壳聚糖，琼脂按质量配比为1:（0-1）溶于30ml-50ml的3~6%的醋酸溶液中，在常温下搅拌1~4小时，添加占比为0.02%-0.07%的戊二醛溶液，得到自掺氮凝胶，将自掺氮凝胶在零下40~50℃，进行冷冻干燥40~50小时，得到干燥的自掺氮前驱体；步骤2）自掺氮凝胶的活化和碳化，将干燥的自掺氮前驱体和氢氧化钾按质量比为1:（1~3）混合，在常温下搅拌0.1~1小时后，放置80~90摄氏度烘箱干燥6~24小时进行活化，得到活化的自掺氮前驱体，将活化后的自掺氮前驱体放入管式炉，在氮气气氛下，以4~6℃/min升温到750~850℃保持2~4h进行煅烧，得到碳化后的自掺氮凝胶；步骤3）三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的制备，将碳化后的自掺氮凝胶，用1mol/L的盐酸溶液与去离子水反复洗涤3~5次后，在80~90℃条件下烘干10~20小时，得到三维网状结构的自掺氮多孔碳材料。本专利技术经美国（QuantachromeInstruments）Autosorb-1型物理吸附仪，荷兰的IVIUM电化学工作站测试可知：本专利技术三维网状结构的自掺氮多孔碳材料比表面积1800~2200m2g-1。本专利技术三维网状结构的自掺氮多孔碳材料作为超级电容器电极材料的应用，电流密度为20~0.5A/g，比电容达到200.0~350.0F/g.本专利技术三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的循环伏安法测试结果表明，在不同的扫描速率下，循环伏安曲线保持良好的类似于矩形形状，具有较好的双电层电容行为和电化学可逆性。本专利技术三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的扫描电镜测试结果表明，在放大倍率为10k时可以看出，该材料为三维网状结构。本专利技术相对于现有技术，具有以下优点：1、本专利技术使用戊二醛作为交联剂，利用戊二醛上的羰基与壳聚糖上的氨基与羟基发生反应，使该体系在常温下形成碳气凝胶，极大程度地缩减了碳气凝胶的合成时间，降低了反应温度，获得交联的壳聚糖/琼脂复合材料，在碳化过程中获得了良好的三维网状结构；2、本专利技术利用了冷冻干燥技术，不同于常规的真空干燥技术，将材料中的水分子直接升华，不仅留下了孔洞还有效的保护了碳气凝胶的形状，维持了材料的三维网状结构；3、在水系电解液（6MKOH溶液）中，具有高比电容，在20~0.5A/g时，比电容达到200~350F/g；4、本专利技术利用琼脂的网状结构及其丰富的孔道结构，使合成的多孔碳材料，具有良好的三维网状结构，含有大量的介孔和微孔结构，有利于电子的传输。因此，本专利技术相较于常规的掺氮多孔碳材料，具有高比电容，简便的合成工艺，良好的微观形貌等优点。附图说明图1为本专利技术实施例中不含琼脂的三维网状结构的自掺氮多孔碳材料组装的三电极体系的超级电容器的循环伏安曲线；图2为本专利技术实施例中不含琼脂的三维网状结构的自掺氮多孔碳材料组装的三电极体系的超级电容器在不同电流密度的充放电循环性能曲线；图3为本专利技术实施例中制备的三维网状结构的自掺氮多孔碳材料组装的三电极体系的超级电容器的循环伏安曲线；图4为本专利技术实施例中制备的三维网状结构的自掺氮多孔碳材料组装的三电极体系的超级电容器在不同电流密度的充放电循环性能曲线；图5为本专利技术实施例中制备的三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的吸脱附等温线；图6为本专利技术实施例中制备的三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的扫描电子显微图像图。具体实施方式本专利技术通过实施例，结合说明书附图对本
技术实现思路
作进一步详细说明，但不是对本专利技术的限定。实施例一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的制备方法：步骤1）本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料，其特征在于：由壳聚糖，琼脂，戊二醛在酸性条件下常温搅拌得到自掺氮凝胶，经冷冻干燥，碱性无机物活化处理，碳化，洗涤，干燥制得，具有三维网状结构。

【技术特征摘要】
1.一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料，其特征在于：由壳聚糖，琼脂，戊二醛在酸性条件下常温搅拌得到自掺氮凝胶，经冷冻干燥，碱性无机物活化处理，碳化，洗涤，干燥制得，具有三维网状结构。2.根据权利要求1所述的三维网状结构的自掺氮多孔碳材料，其特征在于：所述的三维自掺氮多孔碳材料比表面积为1800~2200m2g-1。3.一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1）自掺氮凝胶的制备和干燥，将壳聚糖、琼脂按一定质量比例配制溶液，在酸性条件下常温搅拌一定时间，再滴入戊二醛，得到自掺氮凝胶后，进行冷冻干燥，得到干燥的自掺氮前驱体；步骤2）自掺氮凝胶的活化和碳化，将干燥的自掺氮前驱体和氢氧化钾按一定质量比混合，在一定条件下进行活化，得到活化的自掺氮前驱体，再放入管式炉，在一定条件下进行煅烧，得到碳化后的自掺氮凝胶；步骤3）三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的制备，将碳化后的自掺氮凝胶，在一定条件下进行洗涤和干燥，得到基于壳聚糖的三维自掺氮多孔碳材料。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立贤，印世璐，徐芬，王飞飞，陈沛荣，胡锦炀，李晶华，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45