[发明专利]一种采用双模板制备高比容量纳米复合材料的方法

说明书

本发明属于储能材料技术领域，涉及一种采用双模板制备高比容量纳米复合材料的方法，用于超级电容器电极材料制备场合，解决复合物比电容低不利于材料应用的难题，即分别采用嵌段共聚物F127、氯化钠固体作为软模板与硬模板，结合甲阶酚醛树脂与聚丙烯酰胺的交联反应，制备交联聚丙烯酰胺/镍盐/氯化钠气凝胶，经煅烧处理与模板去除，实现碳材料原位氮掺杂、碳热还原、催化石墨化并形成高比容量三维多孔结构氮掺杂碳/镍/氧化镍纳米复合材料，其制备工艺简单，原理可靠，复合物作为超级电容器电极材料电化学性能优异，具有良好的经济效益和应用前景。

技术领域：

本发明属于储能材料技术领域，涉及一种采用双模板制备高比容量三维多孔结构氮–掺杂碳/镍/氧化镍纳米复合材料(NPGC(resol)/Ni/NiO-NaCl)的方法，产物可用于超级电容器电极材料制备场合。

背景技术：

超级电容器是一种新型储能器件，具有功率密度高、充放电快速、循环寿命长以及高效、清洁、安全等优点。电极材料对超级电容器等器件性能有重要影响，包括电极材料的比表面积、导电性与电化学活性。制备超级电容器电极材料的关键技术是调控材料组成与结构。

在材料组成调控方面，制备氮掺杂碳/过渡金属/过渡金属氧化物纳米复合材料已成为该领域的重要发展趋势。其中，氮原子具有较高的电化学活性，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，石墨化氮则有助于提高碳材料导电性；过渡金属可增强电极材料导电性；过渡金属氧化物赋予电极材料高赝电容特性与高比容量。Lin等采用介孔二氧化硅作模板、金属镍作催化剂，以甲烷、氨气为气源，通过化学气相沉积法制备氮掺杂薄层碳(Science,2015,350,1508)。化学气相沉积要求有专门的仪器设备，模板剂、催化剂的制备与去除增加了反应步骤并提高经济成本，不利于实际应用。近来，直接采用含氮元素的聚合物如甲壳胺、聚丙烯酰胺等前体制备氮掺杂碳及其复合材料备受人们关注。聚丙烯酰胺是一种水溶性高分子，无需调控溶液pH值即可配制溶液，操作简便。Chen等采用醋酸钙作模板，以聚丙烯酰胺为前体制备了氮掺杂分级多孔碳(Ind.Eng.Chem.Res.,2013,52,12025)。中国发明专利(公开号CN107768645A)公开了一种多孔的氮掺杂碳纳米片复合负极材料及其制备方法，采用聚丙烯酰胺溶液作前体，与铁盐复合并经过惰性气氛煅烧生成Fe₄N/Fe₂O₃/Fe多孔氮掺杂碳纳米片，并用作锂离子电池负极材料。聚丙烯酰胺有机前体在加热分解过程中往往伴随玻璃化转变以及结构坍塌现象，聚合物三维网络结构难以保持。

在结构调控方面，制备三维分级多孔结构复合材料具有重要意义。三维结构可促进电解质与电极材料充分接触，增加电极材料活性位点数量，分级多孔结构中的大孔可为电解质离子提供存储空间，介孔孔道促进电解质离子扩散，微孔缩短离子扩散路径，部分石墨化碳结构有利于电子传输。模板法是调控复合材料结构的重要方法。研究人员分别采用氯化钠、氯化钾作硬模板，制备了二维结构的碳纳米片及其复合物(Acs Nano,2013,7,4459；无机化学学报，2014,30,1741)，中国发明专利(公布号CN 107527745A)公开了一种无机盐辅助制备分级多孔生物炭材料的方法，其中的木条需要反复浸渍盐水溶液并干燥处理，操作过程复杂。研究调控电极材料三维分级多孔结构的简便、高效、新方法具有重要意义。

通过聚合物交联反应构建三维网络结构聚丙烯酰胺凝胶，引入热固性酚醛树脂可增强氮掺杂碳骨架稳定性，采用F127软模板在碳基质中引入介孔结构，同时在交联聚合物凝胶中引入氯化钠硬模板，可生成三维多孔结构材料，软、硬模板相结合，将提高复合电极材料电化学性能。至目前，未有采用双模板辅助交联聚丙烯酰胺凝胶体系制备复合电极材料的文献报道。该研究在制备方法上充分利用交联聚合物凝胶为三维有机前体、F127软模板、氯化钠硬模板共同调控制备三维多孔结构氮掺杂碳复合材料，操作简便、成本低廉、环境友好，属于制备复合材料的简便、高效、新型方法；制备的材料兼有多孔碳高比表面积、高孔体积、金属纳米颗粒高导电性以及过渡金属氧化物高氧化还原活性特征，产物电化学性能优异，在储能、催化等领域应用前景广阔。