一种多孔氮掺杂碳电极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，特别是以杨木粉为碳源制备氮掺杂多孔碳材料的方法，还涉及其在电化学电容器中的应用及电化学性能。该制备方法原料来源丰富、方便、便宜，是一种制备氮掺杂多孔碳材料的有效途径。制备步骤简单，反应条件温和，易于操作控制，制备出的氮掺杂多孔碳的比表面积大、比电容高。在较优条件下制备的超级电容器电极材料比表面积可达1800 m

【技术实现步骤摘要】
一种多孔氮掺杂碳电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，特别是以杨木粉为原料制备氮掺杂多孔碳材料的方法，还涉及其在超级电容中的应用及电化学性能。
技术介绍
可再生能源的开发和利用对解决当前人类社会的能源危机和环境问题具有重要义。太阳能、风能、水电等就是环境友好型可再生能源。然而，这一类能源具有季节性、地域性和不连续性等特性，使得它们不能直接应用于工业和日常生活，必须将其存储后使用。因此能源存储问题成为当今能源利用关键和焦点问题。此外，随着便携式终端和可穿戴电子技术的突飞猛进，也急需储能器件的更新换代。目前商业化的储能装置有铅酸、镍镉、镍氢以及锂离子电池等二次蓄电池。蓄电池的优点是能量密度高可重复使用。然而，传统的蓄电池功率密度较低，已经不能满足大功率用电设备需求，因此需要高功率密度的储能装置来解决这一问题。电化学电容器（超级电容器）具有功率密度高、循环寿命长、制备成本低、安全性好等优点，已经受到储能领域研究的广泛关注。电极材料和电解液对电化学电容器的性能至关重要，是衡量电容器性能好坏的关键部分，决定着电容器的能量密度、功率密度以及循环稳定性等。超级电容器电极材料主要有以下几类：碳材料(如活性炭、石墨烯、碳纤维等)；金属氧化物(如RuO2，MnO2，Ni(OH)2等)。多孔碳具有低成本、来源广泛、比表面积大、电化学性能优良等特性，受到研究者的广泛关注。但多孔炭的质量和体积能量密度低，为提高多孔炭的比电容与能量密度，一般采用的方法是增加多孔炭的比表面积。但比表面积的增加会导致材料导电性的下降，增加超级电容器的内阻；通过向多孔炭中引入氮元素，可增加多孔炭材料表面与电解液之间的润湿性，增加赝电容反应，从而提高多孔炭的比电容。为此，我们提出一种以杨木粉为碳源和氮源的提供者，采用纳米二氧化硅为模板制备超级电容器电极氮掺杂碳材料的方法，制备出的氮掺杂多孔碳的比表面积大、比电容高。
技术实现思路
本专利技术涉及一种氮掺杂碳的制备方法，特别是以杨木粉为原料制备氮掺杂碳材料的方法，该制备方法简单，且易于操作控制，成本低廉，制备出的氮掺杂多孔碳的比表面积大、比电容较高。一种以杨木粉为原料，提供碳源和氮源制备超级电容器电极氮掺杂碳材料的方法，其特征在于是按以下步骤进行的：1.将定量的杨木粉分散于定量的蒸馏水中，加入定量的硅溶胶中，在60℃下搅拌30-60min，冷却到室温，50℃下鼓风干燥24小时，得到杨木粉/二氧化硅混合物，将样品研磨成粉末待用；其中所用杨木粉性能指标为：颜色为白色或乳白色；水分小于15％；PH值4.0-6.0；所用硅溶胶的性能指标为：粒径4-20nm；含量10%；粉和硅溶胶溶液用量比例为：m杨木粉∶m硅溶胶＝1∶2-6(质量比)，较优比例为1∶4质量比)；杨木粉和蒸馏水用量比例为：m杨木粉∶m蒸馏水＝1∶10-30(质量比)，较优比例为1∶20(质量比)；2.将杨木粉/二氧化硅混合物样品置于石英舟中，在氮气保护下进行碳化，升温速率为3-10℃/min，升温至600～900℃，碳化1～3小时，然后在氮气保护下随炉冷却，待其冷却至室温，得到的产物被放置在定量的3mol/L的KOH溶液中，70℃下浸泡2h，再用蒸馏水洗涤至PH＝7，80℃干燥12h，得到氮掺杂多孔碳(CN)；其中较优升温速率为2℃/min，较优碳化温度为850℃，较优碳化时间为2小时；3.将得到的氮掺杂多孔碳(C&N)与活化剂混合均匀，放置在管式炉中在氮气保护进行活化，升温速率为3-10℃/min，升温至600-900℃保温1h。然后在氮气保护下随炉冷却，待其冷却至室温，将得到的样品用6mol/L盐酸中和，再用蒸馏水洗涤至PH＝7，80℃干燥12h，得到活化氮掺杂多孔碳(CNAC)；其中所述的活化剂为氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾中一种或几种的混合物，氮掺杂多孔碳与活化剂的质量比为1∶1～5；其中较优的活化剂为氢氧化钾，氮掺杂多孔碳与氢氧化钾的较优质量比为1∶2.5，较优升温速率为3℃/min，较优活化温度为800℃；4.将制备的氮掺杂多孔碳(CN或CNAC)与导电炭黑、聚四氟乙烯(PTFE)乳液按照80∶10∶10(质量比)的比例混合，涂抹在1毫米厚的泡沫镍网集流体上，涂抹面积2×2cm，用压片机在15MPa压力下压制15-60秒；再将压制好的电极80℃干燥12h，降至室温后，将电极放到6mol/L的KOH溶液中浸泡12小时，进行循环伏安曲线(CV)、恒电流充放电(GCD)测试。本专利技术所采用的具体实施方案如下：下面结合具体实施实例对本专利技术做进一步的描述，并非对保护范围的限制。同时下述实施实例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施方案1：将5克杨木粉先分散于100毫升蒸馏水中，加入18克的硅溶胶中，在60℃下搅拌35min，冷却到室温，50℃下鼓风干燥24小时，得到杨木粉/二氧化硅混合物，将样品研磨成粉末，置于管式炉下，在氮气保护下，升温速率为5℃/min，升温至800℃下保温2h。得到的产物被放置在3mol/L的KOH溶液中，80℃下浸泡2h，洗涤至中性，80℃干燥12h，得到氮掺杂多孔碳(CN)，经比表面测试仪测定氮掺杂多孔碳的比表面积为720m2g-1，经X射线光电子能谱仪(XPS)测的氮含量为5.4％。将得到的氮掺杂多孔碳(CN)与导电炭黑、粘结剂PTFE乳液按照80∶10∶10的比例混合，涂抹在2cm×1cm的镍网上，涂抹面积为1cm2。在6MKOH溶液中浸泡12h后，进行循环伏安曲线、恒电流充放电测试。附图1呈现出双电层电容行为；电曲线接近对称于相应的充电曲线，表明CN电极具有较好的电化学可逆性(附图2)。实施方案2：将5克杨木粉先分散于100毫升蒸馏水中，加入18克的硅溶胶中，在60℃下搅拌35min，冷却到室温,50℃下鼓风干燥24小时，得到杨木粉/二氧化硅混合物，将样品研磨成粉末，置于管式炉下，在氮气保护下，升温速率为5℃/min，升温至800℃下保温2h。将得到的氮掺杂多孔碳与KOH按1∶2(质量比)的比例混合均匀，放置在管式炉中氮气保护，升温速率为5℃/min，升温至80℃保温1h。将得到的样品用盐酸洗涤至中性，80℃干燥12h，得到氮掺杂多孔碳(CNAC)。经比表面测试仪测定氮掺杂多孔碳的比表面积为1900m2g-1，经X射线光电子能谱仪(XPS)测得氮含量为4.2％。将得到的CNAC与导电炭黑、粘结剂PTFE乳液按照80∶10∶10的比例混合，涂抹在2cm×1cm的镍网上，涂抹面积为1cm2。在6MKOH溶液中浸泡12h，测试电极电化学性能。所有的放电曲线接近对称于相应的充电曲线，表明CNAC电极具有较好的电化学可逆性(附图3)；表现为双电层电容行为(附图4)；具有较高的比容量和极好的循环稳定性。活化后的碳材料性能明显好于未活化的材料，CV曲线更接近矩形。且充放电倍率性能更好。实施方案3：将5克杨木粉先分散于120本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔氮掺杂碳电极材料的制备方法其特征在于，制备方法包括以下步骤:将定量的杨木粉先分散于定量的蒸馏水中，加入定量的硅溶胶中，在50℃下搅拌30-60min，冷却到室温，50℃下鼓风干燥24小时，得到杨木粉/二氧化硅混合物,将样品研磨成细粉末置于石英舟中在氮气保护下进行碳化，升温速率为3-10℃/min，升温至600～900℃，碳化1～4小时，然后随炉冷却至室温，得到的产物在200毫升2-6mol/L的KOH溶液中，70℃下浸泡4h去除二氧化硅模板，然后用蒸馏水反复洗涤至PH＝7-8，80℃干燥12h，得到氮掺杂碳;将制备的氮掺杂碳与活化剂混合均匀，在氮气保护进行活化，升温速率为3-10℃/min，升温至600-900℃保温2h；然后在氮气保护下随炉冷却，待其冷却至室温，将得到的样品用3mol/L盐酸中和，再用蒸馏水洗涤至PH＝7，80℃干燥12h，得到活化氮掺杂多孔碳。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔氮掺杂碳电极材料的制备方法其特征在于，制备方法包括以下步骤:将定量的杨木粉先分散于定量的蒸馏水中，加入定量的硅溶胶中，在50℃下搅拌30-60min，冷却到室温，50℃下鼓风干燥24小时，得到杨木粉/二氧化硅混合物,将样品研磨成细粉末置于石英舟中在氮气保护下进行碳化，升温速率为3-10℃/min，升温至600～900℃，碳化1～4小时，然后随炉冷却至室温，得到的产物在200毫升2-6mol/L的KOH溶液中，70℃下浸泡4h去除二氧化硅模板，然后用蒸馏水反复洗涤至PH＝7-8，80℃干燥12h，得到氮掺杂碳;将制备的氮掺杂碳与活化剂混合均匀，在氮气保护进行活化，升温速率为3-10℃/min，升温至600-900℃保温2h；然后在氮气保护下随炉冷却，待其冷却至室温，将得到的样品用3mol/L盐酸中和，再用蒸馏水洗涤至PH＝7，80℃干燥12h，得到活化氮掺杂多孔碳。


2.根据权利要求1中所描述的制备方法，其特征在于杨木粉性能指标为：颜色为白色或乳白色粉末；水分小于15％；PH值4.0-6.0；总氮量(...

【专利技术属性】
技术研发人员：金兴会，张晋，陈维宪，赵修富，刘炳强，崔振华，唐永贵，张俊，邱萌，黄震，
申请(专利权)人：山东八三石墨新材料厂，
类型：发明
国别省市：山东;37