[发明专利]一种氮掺杂多孔炭、制备方法及其作为超级电容器电极材料的应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔炭、制备方法及其作为超级电容器电极的应用，属于能源材料及应用技术领域。本发明以天然废弃产物花生壳为原料，经球磨、筛分、高温活化和洗涤后制得氮掺杂多孔炭。该法制得的氮掺杂多孔炭具有微孔和中孔的分级孔隙，孔径主要分布在2～5纳米，比表面积为1000～1200平方米/克，含氮质量比为8～10％，质量比电容为290～310法拉第/克，制得的氮掺杂多孔炭基超级电容器的质量能量密度为40～43瓦时/千克，且具有优异的循环稳定性，因此可以较好的应用于超级电容器电极领域。

技术领域

本发明属于能源材料及应用技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔炭、制备方法及其作为超级电容器电极的应用。

背景技术

多孔炭因具有特殊的多孔结构、高比表面积、化学结构稳定、良好的电容性能以及低廉的价格等特点而常被用作超级电容器电极材料，但是其导电率低、能量密度低等因素严重限制了其实际商业化应用。近年来，氮掺杂的多孔炭因具有较传统多孔炭更加优异的电化学性能而引起了广泛关注。

制备多孔炭的原料和方法是多样的，例如申请号为201510004277.6的专利公开了一种多孔炭的制备方法，采用聚羧酸和二元胺为原料经聚合、热处理后制得多孔炭，其原料的价格较为高昂，不适宜规模化生产，并且制得的多孔炭的比表面积为300～450平方米/克，比电容为189法拉第/克，其电化学性能也并非出众。例如申请号为201310301022.7的专利公开一种氮掺杂多孔炭材料、制备方法及其用途，以聚丙烯醇二氨基醚等含氮的高分子为模板和氮源，葡萄糖等生物质作为碳源，经水热碳化处理得到氮掺杂多孔炭，其比表面积为200～1000平方米/克，并非优选廉价易得的原料，因此不适宜规模化生产。例如申请号为201310190396.6的专利公开一种氮掺杂多孔炭及其制备方法，先将氮源与甲醛反应生成预聚体，再与模板、碳源共混，经交联、固化、碳化后得到氮掺杂多孔炭，该制备工艺较为复杂，不适宜规模化工业生产。

此外，在制备多孔炭的众多原料中，可再生的天然产物因来源简单、价格便宜以及合成简便等优势成为其大规模工业化生产并应于超级电容器的首选原料。例如申请号为201510156147.4的专利公开一种蜂窝状淀粉基多孔炭材料的制备方法，采用天然产物马铃薯、玉米等淀粉为原料制得比表面积为380～478平方米/克的蜂窝状多孔炭，其比表面积明显低于其它多孔炭，不利于双电层电容的形成。文献Liang Q,Ye L,Huang Z H,et al.Ahoneycomb-like porous carbon derived from pomelo peel for use in high-performance supercapacitors[J].Nanoscale,2014,6(22):13831-13837.以天然废弃物柚子皮为原料制得蜂窝状的多孔炭，其比电容为342法拉第/克，最大能量密度为9.4瓦时/千克，其较低的能量密度也限制了该多孔炭的试剂应用价值。

随着全球粮食逐年增收，2016/17年度仅全球花生产量就预计突破4000多万吨(来源于：中国花生信息网，2016年9月30日)。巨大的花生产量之下，必然会产生大量的天然废弃物——花生壳，如何有效地对其进行再利用一直以来都是一个亟待解决的难题。花生壳作为一种廉价易得的天然产物，主要含有粗纤维、粗蛋白和粗脂肪等物质，是一种较为理想的多孔炭原料。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂多孔炭、制备方法及其作为超级电容器电极的应用，该氮掺杂多孔炭具有高比表面积、高氮掺杂量、分级孔隙结构以及优异的电化学性能。

本发明提供的一种氮掺杂多孔炭、制备方法及其作为超级电容器电极的应用，采用花生壳作为多孔炭原料，其氮元素主要以吡啶氮、吡咯氮、石墨化氮和氮氧键的形式存在于氮掺杂多孔炭中。