一種氮摻雜多孔結構碳材料及其制備方法和應用技術

本發明專利技術提供一種氮摻雜多孔結構碳材料，由葡萄糖和含氮化合物反應后，活化制備而成，其比表面積范圍在845~3277?m

Nitrogen doped porous structure carbon material and preparation method and application thereof

The invention provides a nitrogen doped porous carbon materials from glucose and nitrogen after reaction, activation process, the surface area in the range of 845~3277 M

【技術實現步驟摘要】
一種氮摻雜多孔結構碳材料及其制備方法和應用
本專利技術涉及多孔材料
，具體涉及一種氮摻雜多孔結構碳材料及其制備方法和應用。
技術介紹
超級電容器作為介于傳統電容器與二次電池之間的一種新型的高效儲能裝置，具有超大容量、高功率密度、高充放電效率、使用壽命長、免維護、節能環保等優勢，已廣泛應用于電子、新能源等高新
，成為世界各國新能源領域的研究熱點之一。它主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能，其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量?；钚蕴渴悄壳白钪饕纳逃秒姌O材料，其具有大量的孔隙結構、巨大的比表面積、強的吸附能力、穩定的物理化學性能及料廣價廉等優點而被廣泛應用于超級電容器、鋰離子電池、氣體吸附與分離、水體凈化等前沿科技領域。然而，H2和CO2在純碳材料上吸附屬于物理吸附，因此吸附量和選擇性都較差，且單純活性炭材料主要是由于其具備較高的比表面積提供的雙層電容器，但是制約超級電容器性能的不僅僅是比表面積還有孔徑分布、碳材料表面官能團性質，因此商業活性炭超級電容器性能并不高。為了進一步改進電化學性能，在多孔碳材料中引入雜原子，如N、B、P或O等可以顯著地改善其機械、導電或電化學性能。特別是N元素可部分取代C元素，使碳層中石墨微晶平面層產生諸多位錯、彎曲、離位等具有不成對電子的缺陷位，同時氮原子的引入使材料表面具有堿性，可增強材料表面潤濕性，提高材料性能。氮摻雜多孔碳具有高的比表面積、豐富的孔隙結構和大量的表面含氮官能團，從而賦予該材料獨特的機械、電子、儲能等性質，使其廣泛用于超級電容器的電極材料。目前多孔碳材料的合成方法很多主要歸為兩類：模板法和活化法。通過傳統模板法制備的碳材料的孔徑單一，微孔含量低且存在操作復雜、制備時間長和難以保障碳材料的純度等缺點。因此，活化法成為研究者們制備多孔結構和高比表面積碳材料的研究熱點之一。Sudhan等人通過KOH活化法，以稻草為碳源，制備出比表面積為1007m2g?1的多孔碳材料，用作三電極測試時在190Ag?1電流密度下比電容高達332Fg?1[EnergyFuels2017,31,977?985]。該方法選用的廉價的生物質作為碳源且合成方法簡單，但是所制備的多孔碳材料的微孔含量較小，孔徑分布廣，比表面積較低，選用的活化劑量較大，在高電流密度下比容量下降較快，在10Ag?1電流密度下的比容量僅為190Fg?1，而且所選用稻草為碳源不利于標準化生產。因此，尋求一種制備方法簡單、比表面積大、孔結構豐富、適當的氮含量且實用性強的碳材料成為當前研究的熱點。
技術實現思路
本專利技術的目的是通過提高多孔碳材料的比表面積，優化其孔徑分布，改善其作為電極材料的比容量有限、循環不穩定等問題，同時解決目前的高容量電極材料制備過程復雜、原料昂貴且不標準化，難以大規模生產的問題。為了實現上述專利技術目的，本專利技術采用的技術方案利用葡萄糖為碳源，氨基脲或脲嘧啶為氮源，采用堿性無機物KOH等為活化劑，利用化學活化法合成穩定的三維多孔碳材料。氨基脲或脲嘧啶作為高含氮量的氮源，不僅可以將氮元素成功地摻雜在碳材料中，還可以作為造孔劑，在碳化過程中和碳前驅體發生熱解反應，從而提高碳材料的微孔含量、氮含量和導電性能，從而盡可能增大材料的比表面積，形成大面積的雙電層，提高雙電層電容器的性能。實現本專利技術目的的具體技術方案是：氮摻雜多孔結構碳材料，由葡萄糖和含氮化合物按質量比為1.0：（0.5~4.0）混合反應后，通過堿性無機物活化方法制備而成，其比表面積較高范圍在845~3277m2g-1，平均孔徑分布均一，分布在1.76-1.97nm微孔范圍內，且微孔含量超過95%。氮摻雜多孔結構碳材料的制備方法，包括以下步驟：步驟（1），將葡萄糖與含氮化合物按質量比為1.0：（0.5~4.0）加入到去離子水中攪拌去離子水中攪拌溶解后，放入反應釜中反應、過濾、洗滌、烘干得到含氮前驅體；步驟（2），將含氮前驅體和氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鉀、氯化鋅中的任意一種或兩種混合的堿性無機物按質量比為1.0：（1.0~4.0）混合浸泡在去離子水中，烘干后放進管式爐中在氮氣保護活化溫度為600~900℃，活化時間為1~6小時下煅燒活化得到氮摻雜改性的多孔碳材料；步驟（3），將上述氮摻雜改性的多孔碳材料用鹽酸溶液浸泡，經過洗滌、過濾，烘干、研磨得到氮摻雜多孔結構碳材料。本專利技術針對現有技術的不足，以氨基脲和脲嘧啶為新型的氮源、廉價的且有利于標準化生產的葡萄糖為碳源，采用簡單易大規模生產的活化法制備高比表面積的氮摻雜多孔材料。在高溫下，堿性無機物對碳材料進行刻蝕，形成微孔，刻蝕產生的氣體以及氮源的分解作用均有利于形成豐富的孔結構和增加比表面積，最終形成了氮摻雜多孔結構碳材料。當其用作超級電容器電極材料時，多孔碳材料中的微孔主要提供較大比表面，中孔為電解液離子的傳輸通道，大孔結構可以起到電解液緩沖池的作用，實現了超級電容器電極良好的倍率性能，在20Ag-1的電流密度下比容量仍保持在272Fg-1。本專利技術的氮摻雜多孔結構碳材料對于現有技術，具有以下優點：一、本專利技術所用原料市售可得，成本低廉，有利于實現大規模的標準化生產；二、本專利技術中利用氨基脲為氮源在高溫狀態發生分解，有利于形成更多的微孔，且可在碳壁上摻入不同種類的氮原子，為超級電容器提供更多的雙電層電容和贗電容。三、本方法制備的氮摻雜多孔碳材料具有高的比表面積，范圍在845~3277m2g-1、豐富的微孔和介孔結構、較高的含氮量（3.55~5.89%）、平均孔徑分布均一，分布在1.76-1.97nm微孔范圍內，且微孔含量超過95%，有利于增加比表面積，從而提高超級電容器的雙電層電容器的性能。四、作為超級電容器電極材料的應用，當電流密度為0.5Ag-1時，比電容值范圍在224~383Fg-1，且具有良好的循環穩定性和倍率性能。因此，本專利技術在超級電容器、鋰離子電池等領域具有廣闊的應用前景。附圖說明圖1為氮摻雜多孔結構碳材料的掃描電子顯微圖像圖；圖2為氮摻雜多孔結構碳材料的低溫氮氣等溫吸附曲線；圖3為氮摻雜多孔結構碳材料的孔徑分布曲線；圖4為無摻雜多孔結構碳材料的低溫氮氣等溫吸附曲線；圖5為無摻雜多孔結構碳材料的孔徑分布曲線；圖6為無摻雜多孔結構碳材料在不同電流密度的充放電循環性能曲線；圖7為氮摻雜多孔結構碳材料在不同電流密度的充放電循環性能曲線；圖8為氮摻雜多孔結構碳材料的電容循環伏安圖；圖9為氮摻雜多孔結構碳材料在10Ag-1電流密度下的循環測試。具體實施方式本專利技術通過實施例，結合說明書附圖對本
技術實現思路
作進一步詳細說明，但不是對本專利技術的限制。實施例葡萄糖與氨基脲質量比為4:2的氮摻雜多孔結構碳材料的制備方法如下：步驟（1），將4g葡萄糖與2g氨基脲分別加入到去離子水中攪拌溶解，之后放入反應釜中180℃反應，之后將產物過濾、洗滌、烘干得到含氮前驅體；步驟（2），將含氮前驅體和KOH按1.0：2.0的質量比混合浸泡去離子水中攪拌，放入鼓風干燥箱中干燥，之后在氮氣保護下700℃煅燒2h，降溫后取出焙燒后樣品研磨；步驟（3），將上述產物用1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氮摻雜多孔結構碳材料，其特征在于：所述氮摻雜多孔結構碳材料由葡萄糖和含氮化合物按一定質量比反應，通過堿性無機物活化方法制備而成。

【技術特征摘要】
1.一種氮摻雜多孔結構碳材料，其特征在于：所述氮摻雜多孔結構碳材料由葡萄糖和含氮化合物按一定質量比反應，通過堿性無機物活化方法制備而成。2.根據權利要求1所述的氮摻雜多孔結構碳材料，其特征在于：所述氮摻雜多孔結構碳材料的比表面積其范圍在845~3277m2g-1，平均孔徑分布均一，分布在1.76-1.97nm微孔范圍內，且微孔含量超過95%。3.根據權利要求1所述氮摻雜多孔結構碳材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：步驟（1），將葡萄糖與含氮化合物按一定質量比依次加入到一定量的去離子水中攪拌溶解后，放入反應釜中反應、過濾、洗滌、烘干得到含氮前驅體；步驟（2），將含氮前驅體和堿性無機物按一定質量比混合，浸泡在去離子水中，烘干后放進管式爐中在氮氣保護下煅燒活化得到氮摻雜改性的多孔碳材料；步驟（3），將上述氮摻雜改性的多孔碳材料用...

【專利技術屬性】
技術研發人員：褚海亮，邵春風，邱樹君，伍桂明，鄒勇進，向翠麗，孫立賢，徐芬，
申請(專利權)人：桂林電子科技大學，
類型：發明
國別省市：廣西,45