[发明专利]一种基于生物质衍生氮/氧共掺杂多级孔结构碳材料及其制备方法

说明书

一种基于生物质衍生氮/氧共掺杂多级孔结构碳材料及其制备方法，属于能源领域，包括以下步骤：（1）生物质与表面活性剂共水热处理制备蓬松碳中间体；（2）高温碳化和活化处理制备多级孔碳材料。本发明在表面活性剂的作用下多孔碳具备以下典型特征：（1）由二维片层组装构建三维结构，提供电子和离子的传导与扩散通道；（2）较高的比表面积，促进电解液的存储；（3）丰富的氮、氧原子共掺杂，赋予良好的电解液渗透与丰富的活性位点。由此制备的电极材料表现出较高的比电容、良好倍率特性与优异的循环稳定性。此多孔碳的制备工艺简单、结构组成可控以及其性能优异，有望规模化制备及应用于超级电容器电极材料中。

技术领域

本发明属于生物质碳材料和能源领域，具体涉及基于生物质衍生氮/氧共掺杂多孔碳材料的制备方法。

背景技术

超级电容器（Supercapacitor），因其快速的充放电、良好的稳定性和长循环寿命，引起了人们极大的关注(Nature Energy, 2016, 1(6): 16070)。一般超级电容器通过电极材料表面吸附电荷进行能量存储，因此电极材料的孔结构特性决定了其储能特性。而目前，超级电容器受限其较低的能量密度(一般低于8 Wh/kg)，相比于商业化的锂离子电池(能量密度约为180 Wh/kg)，极大地限制了其在能源领域的应用前景，特别是便携电子设备及动力汽车行业。

目前，超级电容器常用的电极材料主要是多孔碳，而多孔碳材料的孔结构、表面微观结构及化学特性对于其作为电极材料提升其能量密度起着至关重要的作用（NanoEnergy, 2013, 2(2): 159-173）。合理的孔结构分布和比表面积能够促进电解液离子的扩散和渗透，而其几何形状和微观结构、表面特性能够调控电子和电解液电荷的传导和扩散，有望获得高的储能特性。到目前为止，针对碳材料的孔结构、微观结构和表面特性等已开展了一系列的研究，包括掺杂、模板方法和KOH活化法及相结合等方法（Nature ReviewsMaterials, 2016, 1(6): 16023）。然而模板法一般制备介孔碳材料，其比表面不高，而KOH活化容易生成大量微孔导致材料的微结构坍塌引起体积容量下降。最近，一些研究结果表明，碳材料中多级孔的分布，包括（微孔＜5nm、介孔5~50nm和大孔＞50nm），以及杂原子掺杂提高了超级电容器的能量密度(Nano Letters, 2017, 17(5): 3097-3104.)。尽管从Maria-Magdalena Titirici等首次提出水热处理葡萄糖制备碳材料并将其应用超级电容器电极材料之后（Adv. Mater. 2010, 22, 5202–5206），水热碳材料得到了广泛研究。为了进一步丰富碳材料的孔结构，在水热过程中通过调节PH值（专利CN105948041A、Adv.Energy Mater. 2017, 1702545）进行调控，而此方法对设备腐蚀较严重，成本高，难于控制，且强酸强碱条件下水热处理效果与后续碳化活化处理本质都是为了生成多孔结构，效果重叠。此外，这些多孔碳一般选择沥青，酚醛树脂等不可再生的石油类资源通过高温裂解而获得，其制备工艺复杂，能耗高。因此开发可替代的来源丰富、可循环利用的、无污染的碳资源显得尤为重要。

因此，进一步筛选丰富的碳源前驱体、优化合成工艺制备高电子传导和离子渗透的电极材料用于提升超级电容器的储能特性具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上面所述缺陷，提供一种绿色高效地制备一种氮/氧共掺杂多级孔结构碳材料，并将其应用于超级电容器电极材料中。本发明提供了基于生物质衍生多孔碳材料的制备方法，其典型特征为首先在无腐蚀和无污染的表面活性剂的作用下水热预处理含氮、氧原子的生物质碳源，通过表面活性剂和水蒸汽的作用赋予其丰富的孔结构与氧原子，随后将其与活化剂混合均匀，在高温条件下碳化活化得到多级孔结构氮/氧共掺杂的碳材料，并将其作为电极材料用于超级电容器中，表现出优异的电化学性能：包括比电容、倍率特性和循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：