[发明专利]一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料，由壳聚糖，琼脂，戊二醛，经混合搅拌，冷冻干燥，活化处理，碳化，洗涤，干燥制得，具有三维网状结构，其比表面积为1800~2200 m²g^‑1。其制备方法包括：1）自掺氮凝胶的制备和干燥；2）自掺氮凝胶的活化和碳化；3）三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的制备。作为超级电容器电极材料的应用，电流密度为20~0.5 A/g，比电容达到205.0~300.0 F/g。相较于现有技术合成工艺复杂、合成时间长等技术问题，本发明利用壳聚糖的二维片层结构结合琼脂的孔道结构，通过交联形成三维结构并利用冷冻干燥技术进行保护，获得高循环稳定性、提升导电性和比电容，简化合成工艺，缩减合成时间，在超级电容器领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学超级电容器领域，具体涉及一种三维网状结构的自掺氮多孔碳材料的制备方法及应用。

背景技术

随着人口的急剧增长和经济的快速发展，资源与能源的日渐短缺成为当代社会亟待解决的重要问题之一。因此，清洁可再生能源的开发与应用对国家经济发展以及解决环境问题起到关键的作用。电能，风能，太阳能，潮汐能等都受到广泛的关注，而找到合适的储能装置是至关重要的环节。

超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置，具有功率密度高，循环寿命长，充放电速率快，使用温度范围宽，对环境无污染等优点，被应用于电动汽车，航空航天以及国防科技等领域。超级电容器的材料主要分为三种：碳材料，导电聚合物以及金属氧化物。其中，碳材料具有比表面积大，成本低，导电性好等优点。纯碳材料表面疏水，增加了电解液离子和孔的接触电阻很大程度的影响了电容特性，并且碳材料只能形成双电层电容，比赝电容低了近100倍，而掺杂氮元素会在碳材料表面引入官能团，可使碳材料表面润湿性得到提高，导电性能大幅度提升，所以掺氮多孔碳作为电极材料引起大家的广泛关注。

三维碳材料由于其微观形貌较好，比表面积较大，三维结构更有利于电子传输而受到广大学者关注，但三维多孔碳材料也面临合成工艺复杂，成本高等缺点。文章《KOH-activated carbon aerogels derived from sodium carboxymethyl cellulose forhigh-performance supercapacitors and dye adsorption》公开的三维多孔碳材料，需要三天时间合成碳气凝胶，并且原料繁多，合成工艺复杂，在0.5 Ag^-1 时电容量仅达到152.6Fg^-1。

如何简便地构建微观形貌良好的三维多孔碳材料，成为近年来研究的热点，壳聚糖价格低廉，导电性能好，交联性能好，本身具有丰富氮元素，不需要另外添加氮源，直接烧结而成的自掺氮多孔碳材料可应用在超级电容器领域，但文章《Graphene-based nitrogenself-doped hierarchical porous carbon aerogels derived from chitosan for highperformance supercapacitors》公开的纯壳聚糖自掺杂多孔碳材料，得到二维片层结构材料，比表面积较小，在0.2 Ag^-1时电容量仅达到197 Fg^-1。

因此，现有技术亟待解决的技术问题是：利用成本低廉的原料，在其自身具有的微观结构基础上，采用简单的制备工艺，制备出具有三维多孔结构的碳材料。

发明内容

本发明的目的是利用壳聚糖独特的二维片层结构和交联性质，掺杂合适的碳源，构建出具备三维网状结构的多孔碳材料，提升壳聚糖的导电性及电容性的技术效果。

同时，利用琼脂具有丰富的孔道结构，并且同样具备交联的性质，在交联剂戊二醛的作用下，获得交联的壳聚糖/琼脂的复合材料。使材料在碳化过程获得三维网状结构，并且同时大幅提高碳材料的比表面积，进而大幅度提升电化学性能。