一种氮氧共掺杂多孔碳材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种氮氧共掺杂多孔碳材料、制备方法及应用，属于多孔碳材料技术领域，该氮氧共掺杂多孔碳材料的制备方法包括：(1)将聚酰亚胺酸溶液和聚丙烯腈溶液充分混合得到混合溶液，利用混合溶液制膜，将制得的膜用凝固浴溶液处理后得到复合膜材料；(2)将步骤(1)得到的复合膜材料进行预氧化、碳化，得到聚丙烯腈/聚酰亚胺基多孔碳材料；(3)利用化学活化剂对聚丙烯腈/聚酰亚胺基多孔碳材料进行活化处理，得到所述的氮氧共掺杂多孔碳材料。本发明专利技术通过调节凝固浴参数控制相分离过程来调控孔结构，并进一步结合活化步骤来优化孔结构，制备得到具有优异孔结构的氮氧共掺杂多孔碳材料，该氮氧共掺杂多孔碳材料具有较好的电化学性能。学性能。学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种氮氧共掺杂多孔碳材料、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于多孔碳材料
，具体涉及一种氮氧共掺杂多孔碳材料、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]超级电容器具有快速充放电、长循环寿命、低成本和较高的功率密度等优点，现已受到广泛关注，根据储能机制，超级电容器一般分为双电层电容器(EDLC)和赝电容器。超级电容器的电极材料主要决定了其整体的电化学性能。常用的电极材料包括金属氧化物、碳材料、导电聚合物、及其复合材料等。
[0003]与赝电容器相较而言，双电层电容器的能量密度较低，仅靠电极与电解液之间的静电吸附来进行储能，故而其比电容值往往都比较低，限制了其进一步的发展和应用。碳材料(例如活性炭、碳纳米管和石墨烯)具有开放且稳定的多孔结构，被认为是理想的双电层电容器的电极材料，使用碳材料作为EDLC电极材料时，影响储能性能的主要因素是碳材料的比表面积、孔径、孔的形貌和结构，因此目前研究多使用模板法进行结构设计以提升碳材料比电容，但是模板法需要去除模板，较为复杂，目前还缺少高效简便制备共掺杂多孔碳材料的方法。
[0004]公开号为CN115020121A的中国专利文献公开了一种褐煤残渣基多孔碳材料，该多孔碳材料的制备方法是将褐煤粉末和乙醇加入高压釜，加入N2，搅拌下加热后反应，过滤，滤液去除乙醇后得到可溶组分A，滤饼用等体积的丙酮/CS2超声萃取，反复萃取5次后将溶剂蒸除得到可溶组分B，合并A和B真空干燥，得到褐煤热熔残渣；用HF除灰后真空干燥再于N2下加热，预碳化后冷却；将样品、ZnO和KOH研磨，N2下加热碳化活化，冷却，研磨，酸洗，去离子水洗涤，真空干燥得到多孔碳材料。该制备方法制备过程冗长，需要多次萃取和过滤，操作复杂且产生大量废液。
[0005]公开号为CN111892051A的中国专利文献公开了一种电容器电极材料用生物质分级多孔碳，该分级多孔碳的制备方法是利用油茶果壳粉末、尿素和去离子水为原料进行水热反应，进一步将水热碳化产物和KOH、(NH4)3PO4混合均匀后加热活化得到活化产物，将活化产物置于盐酸溶液中浸泡去除杂质，清洗、过滤并干燥后制备得到分级多孔碳，但是该方法并没有对多孔碳的孔结构进行调控。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种氮氧共掺杂多孔碳材料的制备方法，该方法通过调节凝固浴参数控制相分离过程来调控孔结构，并进一步结合活化步骤来优化孔结构，增加电解质离子的扩散路径，制备得到具有优异孔结构的氮氧共掺杂多孔碳材料，该氮氧共掺杂多孔碳材料具有较好的电化学性能，在0.5A/g的电流密度下的质量比电容达到407F/g。
[0007]具体采用的技术方案如下：
[0008]一种氮氧共掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将聚酰亚胺酸溶液和聚丙烯腈溶液充分混合得到混合溶液，利用混合溶液制膜，将制得的膜用凝固浴溶液处理后得到复合膜材料；
[0010](2)将步骤(1)得到的复合膜材料进行预氧化、碳化，得到聚丙烯腈/聚酰亚胺基多孔碳材料；
[0011](3)利用化学活化剂对聚丙烯腈/聚酰亚胺基多孔碳材料进行活化处理，得到所述的氮氧共掺杂多孔碳材料。
[0012]聚丙烯腈PAN能够提供较高的氮含量，碳产率也高，在热处理过程中转化为热稳定的梯形聚合物，聚酰胺酸PAA亚胺化得到聚酰亚胺PI的过程中具有吸热的特征，这可以通过腈基环化释放的热量来促进；PI的聚合物主链上有特殊的刚性杂环结构，这种结构保证了PI的机械性能、热性能和介电性能；两种材料的配合能够在保证复合材料在拥有较好的氮含量、机械性能以及优异的导电性能的同时，在后续制备过程中形成分级孔结构。
[0013]优选的，所述的聚酰亚胺酸溶液由联苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚为原料制备得到。
[0014]优选的，所述的混合溶液的固含量为18～22wt％，聚丙烯腈和聚酰亚胺酸的摩尔质量比为1：1～1.1。
[0015]优选的，所述的凝固浴溶液包括良溶剂和不良溶剂，良溶剂与不良溶剂的比例为0～1：1；良溶剂为二甲基亚砜、无水乙醇或N，N
‑
二甲基甲酰胺，不良溶剂为水。
[0016]进一步优选的，凝固浴溶液的温度为15
‑
25℃。
[0017]步骤(2)中，预氧化过程在空气气氛中进行，预氧化处理的条件为150～300℃，20～90min。聚酰胺酸PAA在预氧化阶段亚胺化得到聚酰亚胺PI。
[0018]优选的，预氧化处理分两阶段进行，第一阶段的处理条件为：150～200℃，5～30min；第二阶段的处理条件为：230～280℃，20～60min。
[0019]步骤(2)中，碳化过程在氮气气氛中进行，碳化处理的条件为：750～850℃，30～180min。
[0020]步骤(3)中，化学活化剂为氢氧化钠，活化过程在氮气气氛中进行，活化处理的条件为：750～850℃，30～180min。活化过程主要分为三大阶段，第一阶段H2O和CO2的形成有助于部分碳基质气化形成孔隙；第二阶段Na2O和Na2CO3的产生促进氧化还原反应刻蚀碳骨架，有利于孔结构的形成；第三阶段金属Na的形成是通过扩散和整合到石墨层来产生孔结构的关键因素。活化步骤能够增加材料中主要位于1
‑
5nm的微介孔，以及增加材料表面含氧官能团。
[0021]进一步优选的，采用浓度为0.02～0.05g/ml的氢氧化钠溶液进行活化处理，保持氢氧化钠与聚丙烯腈/聚酰亚胺基多孔碳材料的配比为1.5～2.5：1。
[0022]本专利技术还提供了所述的氮氧共掺杂多孔碳材料的制备方法制得的氮氧共掺杂多孔碳材料。
[0023]优选的，所述的氮氧共掺杂多孔碳材料的氮含量为3～10％，氧含量为20～30％，孔体积为0.2
‑
0.7cm3/g，比表面积为400
‑
1000m2/g，呈现三维分级孔结构，主要含有位于1
‑
50nm的微介孔。
[0024]本专利技术还提供了所述的氮氧共掺杂多孔碳材料在超级电容器领域中的应用。所述的氮氧共掺杂多孔碳材料能够在电化学测试中实现较好的电化学性能，在0.5A/g的电流密
度下能够达到407F/g的质量比电容。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0026](1)本专利技术通过调节凝固浴参数来控制相分离过程，从而实现膜材料孔结构的调控，能够以一种极为简便的方法实现结构的优化，并通过活化剂的加入使得材料呈现三维分级孔结构，主要实现了微介孔的提升，步骤之间协同作用，制备得到了具有优异孔结构的氮氧共掺杂多孔碳材料，方法简单高效，便于大规模生产。
[0027](2)本专利技术制备得到的氮氧共掺杂多孔碳材料具有高氮氧含量；凝固浴的调控促使材料内部结构的调节，且通过活化步骤优化了材料的孔径结构，增加了电解质离子的扩散路径，同时材料具有良好的导电性，使得该氮氧共掺杂多孔碳材料拥有良好的电化学性能，在0.5A/g本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮氧共掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将聚酰亚胺酸溶液和聚丙烯腈溶液充分混合得到混合溶液，利用混合溶液制膜，将制得的膜用凝固浴溶液处理后得到复合膜材料；(2)将步骤(1)得到的复合膜材料进行预氧化、碳化，得到聚丙烯腈/聚酰亚胺基多孔碳材料；(3)利用化学活化剂对聚丙烯腈/聚酰亚胺基多孔碳材料进行活化处理，得到所述的氮氧共掺杂多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的氮氧共掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述的混合溶液的固含量为18～22wt％，聚丙烯腈和聚酰亚胺酸的摩尔质量比为1：1～1.1。3.根据权利要求1所述的氮氧共掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述的凝固浴溶液包括良溶剂和不良溶剂，良溶剂与不良溶剂的体积比为0～1：1；良溶剂为二甲基亚砜、无水乙醇或N，N
‑
二甲基甲酰胺，不良溶剂为水。4.根据权利要求1所述的氮氧共掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预氧化过程在空气气氛中进行，预氧化处理的条件为150～300℃，20～90min。5.根据权利要求4所述的氮氧共掺杂多孔碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪飞，李瑞劼，张永刚，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：