[发明专利]一种氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料制备方法

说明书

本发明属于过渡金属氧化物纳米复合材料制备技术领域，涉及一种氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料制备方法，用于电极材料制备场合，解决工艺制备步骤多，耗时长，复合物比电容低不利于材料应用的难题，能够简便高效的制备氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料，采用含氮元素的生物聚合物甲壳胺为结构导向剂和有机前体，以过渡金属盐为反应物，通过共沉淀反应制备复合物，并经过惰性气氛煅烧，利用过渡金属催化石墨化作用制备氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料，其制备工艺步骤简单，节能环保，原理可靠，制备成本低，电化学性能好，导电性高，应用广泛，使用环境友好，具有良好的经济效益和广阔的市场前景。

技术领域：

本发明属于过渡金属氧化物纳米复合材料制备技术领域，涉及一种氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料制备方法，用于电极材料制备场合。

背景技术：

超级电容器(supercapacitor简称SC)是一种新型储能器件，具有功率密度大、充放电快速、循环寿命长的优点，而决定其性能优良的关键是SC电极材料，SC电极材料一般包括碳材料、金属氧化物、金属氢氧化物和导电聚合物，碳材料包括石墨烯、碳纳米管、活性碳和介孔碳，其中，石墨烯与碳纳米管中六元环结构有利于电子传输；活性碳与介孔碳具有高比表面积，但碳原子结构有序性差，导电性较低。无定形碳材料经2000℃以上的高温石墨化处理结晶度与导电性能够增强，但是比表面积显著降低，即导电性较好但比容量较低；其他赝电容器电极材料氧化-还原活性高，比电容大，但自身导电性较差，循环稳定性与倍率特性限制其应用。因此，合理调控碳纳米材料结构并与高氧化-还原活性物质相复合是制备SC先进电极材料的重要途径。近年来，研究人员以过渡金属盐、过渡金属氢氧化物为催化剂前体，通过催化石墨化作用在小于1000℃的低温条件下制备部分石墨化碳材料(partiallygraphitized carbon，简称PGC)，产物的倍率特性高，并且在水性和有机电解质中都具有较高的能量密度和功率密度。为进一步提高SC电极材料性能，人们还制备了杂原子掺杂的碳材料，其中氮掺杂碳尤引人注目。氮原子由于原子半径较小而具有较高的电负性，氮原子掺杂的碳材料表面极性增强，水性电解液更易于润湿电极材料表面。另外，吡咯型氮、吡啶型氮可赋予电极材料氧化-还原活性和赝电容特性，石墨化型氮则有助于提高碳材料导电性。甲壳胺(简称CTS)作为来源广泛的生物聚合物越来越多地用于可持续碳材料研究。由于含有丰富的碳元素与氮元素，CTS可用来合成氮掺杂石墨烯、氮掺杂介孔碳等材料，氮掺杂碳作为SC电极材料具有高比电容和良好的循环稳定性。