[发明专利]一种多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法

说明书

一种多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法，具体步骤如下：在酸性水溶液中，将致孔剂与氮源材料的前驱体在氧化剂的作用下，通过化学氧化法制备得到致孔剂/氮源材料的复合体；将复合体在惰性气体保护下，高温碳化得到氮掺杂碳材料；通过刻蚀溶液，除去致孔剂，真空干燥得到多孔氮掺杂碳电极材料。本发明所用致孔剂来源广泛、价格低廉；所用的机械搅拌和超声波并用的分散方式分散效果显著；本制备工艺简单、成本低廉，产物导电性、循环稳定性和热稳定性好，可应用到超级电容器中。

技术领域

本发明涉及一种多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法。属于超级电容器电极材料制备领域，

背景技术

超级电容器作为一种新型的储能装置，以其高功率密度、长使用寿命和快充放电速度等优点被广泛用于混合电动汽车和便携式电子设备，已成为近年来的研究热点。

活性炭、碳纳米管和碳气凝胶等碳材料是超级电容器中常见的电极材料，具有良好的导电性和稳定性等优点。但是将碳材料组装成超级电容器时，其比电容值较小，从而限制其工业发展。通过向碳材料表面引入官能团或杂原子(O、 N、B、S)是提高电极材料电容值的一个有效的方法。其中氮是碳材料掺杂的理想元素，通过氮掺杂可以有效地改善碳纳米材料的力学、电化学、催化、吸附等性能。高聚物进行热解处理是制备氮掺杂碳材料的有效方法之一。其中，聚苯胺因具有含氮丰富、形貌可控、价格低廉而成为理想的氮源。

目前，申请号为CN201810017931.0公布了一种氮磷硫共掺杂的介孔碳球及其制备方法，利用聚苯胺掺杂有机酸-植酸为碳前驱体，纳米二氧化硅溶胶为致孔剂，制备得到氮、磷、硫三种杂原子共掺杂的碳材料。申请号为 CN201610548972.3提供了一种二氧化硅修饰的多球腔碳材料的制法，首先以正硅酸乙酯为原料制备得到二氧化硅小球，以该二氧化硅小球为致孔剂制备得到二氧化硅/聚苯胺复合材料。在所报道的多孔杂原子掺杂碳材料的制备方法中，二氧化硅溶胶、SBA-15等是常用的致孔剂。然而，这些致孔剂材料价格较为昂贵，制备条件较为苛刻，在实际的应用中受到了一定的限制。本发明主要是将经济成本低廉的纳米二氧化硅作为致孔剂，在二氧化硅、质子酸、苯胺分子、聚苯胺大分子间的氢键作用力和静电力的双重组装作用下，制备得到多孔氮掺杂碳电极材料，并获得了较好的电化学效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超级电容器的多孔氮掺杂碳电极材料及其制备方法。多孔氮掺杂碳电极材料为氮元素掺杂和多孔结构的特殊复合材料。多孔结构提高了电极材料与电解质的接触面积，利于离子的快速交换。氮元素掺杂后，所得电极材料的能量储存功能得到极大提高。

为了实现上述目的，本发明所述的多孔氮掺杂碳电极材料通过以下步骤获得：

(1)致孔剂/氮源材料复合体的制备；

(2)氮掺杂碳材料的制备；

(3)多孔氮掺杂碳材料的制备。

步骤(1)所述的致孔剂是指不同粒径的二氧化硅及其衍生物。

步骤(1)所述的氮源材料是指含氮元素的聚苯胺、聚吡咯及其衍生物。