一种富氰基多孔炭及其制备方法与作为超级电容器电极材料的应用技术

本发明专利技术提供了一种富氰基多孔炭及其制备方法与作为超级电容器电极材料的应用，所述富氰基多孔炭具有微孔和介孔分级孔结构，比表面积为1000～1500m2/g，其中微孔体积百分比占60～70％，介孔体积百分比占30～40％，氰基的质量百分含量为4～11％。本发明专利技术提供的富氰基多孔炭，具有分级多孔结构，且比表面积大，作为电极材料具有优异的循环稳定性和电化学性能，且其制备方法步骤简单，反应条件温和，重复性好，有利于规模化生产制备。有利于规模化生产制备。有利于规模化生产制备。

【技术实现步骤摘要】
一种富氰基多孔炭及其制备方法与作为超级电容器电极材料的应用


[0001]本专利技术属于以电极中材料组成或结构特点为特征的电容器
，具体涉及一种富氰基多孔炭及其制备方法与作为超级电容器电极材料的应用。

技术介绍

[0002]超级电容器，也被称为电化学电容器，是一类很有前途的高性能电化学储能装置。超级电容器具有优异的倍率性能、高功率密度和长循环寿命，它一般由电极材料，隔膜，集流体，电解液四个部分组成。其中，电极材料在很大程度上决定了超级电容器的性能，大的比表面积及合适的多孔结构有利于离子的储存及扩散转移，能使其表现出良好的电化学性能。
[0003]电极材料有炭材料，过渡金属化合物，导电聚合物等，其中炭材料(包括碳点，石墨烯，碳纳米管，多孔炭等)因其优异的导电性，较大的比表面积以及稳定的电化学性质而成为研究热点。水热法因其成本低、效率高、易调控、材料本身所含的官能团也能大量保留等优势而被广泛应用于多孔炭的合成。到目前为止，用于水热合成炭材料的碳源可分为以下几类：纯碳水化合物(葡萄糖、蔗糖、环糊精、纤维素、淀粉等)；大分子量的生物质(木质素、壳聚糖等)；生物质原料(果皮、叶子、虾壳、松针等)。然而，由于上述碳源的分子量较大且结构相对复杂，使得炭材料的形成机制也相当复杂，此外，反应过程难以精确控制，使得所制备的炭材料结构不可控，加之体系官能团种类繁多，稳定性较差，因而不利于高性能电极材料的设计与合成。
[0004]为了提升超级电容器电极材料的电化学性能，同时降低生产成本简化制备工艺，本专利技术将小分子碳源引入到炭材料的合成中，再通过进一步活化和炭化，开发出一种富氰基多孔炭，氰基所含氮原子的掺杂可改变碳原子的电子结构，提高炭材料的电导率和化学稳定性。此外，氰基的极化效应可增加电极材料的可润湿性(可更好的被电解液浸润，有利于电化学反应的发生)，进而提高材料的电化学性能。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种富氰基多孔炭及其制备方法与作为超级电容器电极材料的应用，所述富氰基多孔炭孔隙结构发达、比表面积大，与电解液之间的润湿性良好，电化学性能优异，循环性能稳定。
[0006]为达到上述目的，采用的技术方案如下：
[0007]一种富氰基多孔炭，所述富氰基多孔炭具有微孔和介孔分级孔结构，比表面积为1000～1500m2/g，其中微孔体积百分比占60～70％，介孔体积百分比占30～40％，氰基的质量百分含量为4～11％。
[0008]本专利技术还提供上述富氰基多孔炭的制备方法，具体步骤如下：
[0009]1)将乙二醛、丙烯腈在去离子水中超声分散均匀后进行水热反应，后处理得到前
驱体；
[0010]2)将步骤1)所得前驱体与活化剂的水溶液混合进行活化反应，所得固体产物进行炭化处理，再经洗涤、干燥，即得到富氰基多孔炭材料。
[0011]按上述方案，步骤1)所述乙二醛和丙烯腈的摩尔比为1：0.5～2，所述乙二醛与去离子水的摩尔体积比为0.001～0.005mol/mL。
[0012]优选的是，所述乙二醛和丙烯腈的摩尔比为1：0.5～1。
[0013]按上述方案，步骤1)所述水热反应条件为：160～200℃下反应12～24h。
[0014]按上述方案，步骤2)所述活化剂为氢氧化钠，氢氧化钾，氯化锌，氯化钙中的一种，所述活化剂的水溶液浓度为0.5～2mol/L。
[0015]按上述方案，步骤2)所述前驱体与活化剂的水溶液中活化剂的质量比为1：0.5～3。
[0016]按上述方案，步骤2)所述活化反应条件为：100～180℃下反应1～15h。
[0017]按上述方案，步骤2)所述炭化处理的工艺条件为：氮气气氛下，以3～8℃/min的升温速率从室温升温至500～900℃，保温2h。
[0018]本专利技术还包括上述富氰基多孔炭作为超级电容器电极材料的应用。
[0019]本专利技术选用小分子的乙二醛和丙烯腈作为碳源和氮源，在水热反应条件下，小分子组分在液相中均匀混合。首先，乙二醛在水热条件下水解聚合生成中间体，中间体上的醛基与丙烯腈进行自由基加成反应，进而生成氰基得以保留且相对稳定的前驱体，再将所得前驱体进行活化处理，促进分级多孔结构的形成，从而提供优异的离子扩散通道，另外，活化过程中，高温(100～180℃)及饱和压力有利于多孔炭结构的形成，最后通过进一步炭化得到比表面积大，循环性能稳定，可润湿性好，电化学性能优异的富氰基多孔炭电极材料。
[0020]本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提供的富氰基多孔炭，具有分级多孔结构，且比表面积大，作为电极材料具有优异的循环稳定性和电化学性能；2、本专利技术的制备方法步骤简单，反应条件温和，重复性好，有利于规模化生产制备。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1制备的富氰基多孔炭电极材料的x射线光电子能谱图；
[0022]图2为实施例1制备的富氰基多孔炭电极材料的氮气吸附/脱附等温曲线(BET)图；
[0023]图3为实施例1制备的富氰基多孔炭电极材料的孔径分布图；
[0024]图4为实施例1所制备的富氰基多孔炭电极材料的循环伏安(CV)测试图；
[0025]图5为实施例1所制备的富氰基多孔炭电极材料的恒电流充放电(GCD)测试图；
[0026]图6为实施例1所制备的富氰基多孔炭电极材料的充放电循环测试图。
具体实施方式
[0027]本专利技术以小分子乙二醛、丙烯腈为原料，合成前驱体后进行活化和炭化，反应机制明确，过程易控制，所得富氰基多孔炭性能优异，循环稳定。本专利技术实施例提供了一种具有巨大潜力的超级电容器电极材料。
[0028]为了让本专利技术之上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例，来说明本专利技术制备分级多孔炭材料的方法。
[0029]实施例1
[0030]一种富氰基多孔炭，其制备方法如下：
[0031]1)将乙二醛(10mL，0.22mol)和丙烯腈(10mL，0.15mol)与50mL去离子水超声分散均匀，置于容积100mL、特氟隆内衬的不锈钢水热反应釜中，于180℃水热反应24h，反应完成后，待水热反应釜自然冷却至室温，滤出棕色固体颗粒状物质，依次用乙醇、丙酮和去离子水洗涤至滤液无色中性，然后将样品在50℃下真空干燥过夜，得到前驱体；
[0032]2)取3g前驱体与60mL KOH溶液(浓度1mol/L)混合，然后转移到容积100mL、特氟隆内衬的不锈钢水热反应釜中，于140℃下活化反应12h，产物在100℃下干燥24h，充分除去水分，得到活化后前驱体；
[0033]3)将1g活化后前驱体放入管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升温至700℃，保温2h，然后依次用1mol/L的HCl溶液和去离子水洗涤数次以除去KOH及其他副产物，干燥后得到富氰基多孔炭。
[0034]图1为本实施例制备的富氰基多孔炭样品的X射线光电子能谱(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富氰基多孔炭，其特征在于，所述富氰基多孔炭具有微孔和介孔分级孔结构，比表面积为1000～1500m2/g，其中微孔体积百分比占60～70％，介孔体积百分比占30～40％，氰基的质量百分含量为4～11％。2.一种权利要求1所述的富氰基多孔炭的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1)将乙二醛、丙烯腈在去离子水中超声分散均匀后进行水热反应，后处理得到前驱体；2)将步骤1)所得前驱体与活化剂的水溶液混合进行活化反应，所得固体产物进行炭化处理，再经洗涤、干燥，即得到富氰基多孔炭材料。3.根据权利要求2所述的富氰基多孔炭的制备方法，其特征在于，步骤1)所述乙二醛和丙烯腈的摩尔比为1：0.5～2，所述乙二醛与去离子水的摩尔体积比为0.001～0.005mol/mL。4.根据权利要求2所述的富氰基多孔炭的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，李濯薰，冯涛，华英楠，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：