[发明专利]基于聚偏二氯乙烯氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了基于聚偏二氯乙烯氮掺杂多孔碳材料，以聚偏二氯乙烯为碳源，以碱性含氮化合物乙二胺或二乙烯三胺为去卤化剂和氮源，经一步法实现脱氯和氮掺杂，最后通过煅烧活化制得。基于聚偏二氯乙烯氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：1）一步法脱氯和氮掺杂；2）碳前驱体的煅烧活化。作为超级电容器电极材料的应用，当电流密度为0.5A g^‑1时，比电容值范围在401‑470 F g^‑1。本发明具有以下优点：1.实现PVC、PVDC回收利用；2.实现常温下对聚偏二氯乙烯进行去卤化；在多孔碳材料和超级电容器领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料技术领域，具体涉及基于聚偏二氯乙烯氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

聚偏二氯乙烯（PVDC）作为一种常见的含氯聚合物，在生活中随处可见，如人造草坪、胶粘剂、食品袋、药品吸塑包装等，然而这些塑料制品在自然环境中很难降解，长期堆积会破坏土壤，污染地下水，危害海洋生物的生存。同时焚烧产生的致癌物二噁英、二氧杂芑也会对空气造成严重污染。因此，聚偏二氯乙烯（PVDC）废弃塑料制品进行回收利用，是亟待解决的问题。

超级电容器是一种快速能量存储装置，因其有循环使用寿命长、功率密度高及能量效率高等优点，被广泛应用于远程通信系统、电子设备、交通、能量储存和获取等领域。根据其储能原理不同，主要分为双电层电容器、法拉第准电容器（也称赝电容器）及混合型电容器，目前商品化超级电容器应用较为广泛的是双电层电容器。双电层电容器是基于高比表面材料的电极－电解液界面上进充放电的一类特殊的电容器，电极材料是决定其性能的关键，通过增加电极材料的比表面积可增大双电层电容量，因此具有较高比表面积的多孔碳材料成为超级电容器电极材料最活跃的研究方向。多孔碳材料具有原料来源广泛、物理化学稳定性好、比表面积及孔体积大等优点，在电极材料应用上已表现出巨大的潜能。因此，将聚偏二氯乙烯（PVDC）由难降解高分子聚合物变为多孔碳材料应用于超级电容器电极材料，可以有效实现聚偏二氯乙烯（PVDC）的回收利用。

现有技术《High-capacitance carbon electrode prepared by PVDCcarbonization for aqueous EDLCs》公开了一种通过高温直接热解PVDC的方法脱氯直接制备了微孔碳材料，电容性能仅为262Fg^-1。该技术上存在以下不足：1. 在高温热解PVDC的同时进行脱氯，这会导致两方面影响，一方面热解的同时脱氯，会影响多孔碳材料结构的稳定性，另一方面氯元素会以氯化氢等气体形式进行排放，造成严重的环境污染问题；2. 该方法所得多孔碳材料未能实现氮掺杂，严重影响其电容器性能。

现有技术《Unconventional Carbon：Alkaline Dehalogenation of PolymersYields N-Doped Carbon Electrode for High-Performance Capacitive EnergyStorage》实现了在高温热解之前，常温条件下进行脱氯，并最终在多孔碳材料中实现氮掺杂。具体脱氯的技术特征为在室温条件下，添加KOH、NaOEt、二甲基甲酰胺（DMF）及三聚氰胺与PVDC进行机械研磨，其中脱氯的主要原理为KOH与氯元素的反应；氮掺杂的氮源为三聚氰胺。最终制备了氮掺杂多孔碳材料，实现了比电容为328Fg^-1的技术效果。该技术上存在以下不足：1. 该材料制备过程利用高浓度KOH实现强碱性条件下脱氯，对反应仪器存在腐蚀问题，并存在碱性工业废液排放压力；2. 所需氮源需要额外添加，增加原料成本；3. 氮源三聚氰胺与PVDC混合的方法为物理混合，存在氮元素分布不均匀情况，且氮元素与碳元素之间结合力较弱，影响材料整体稳定性；4. 脱氯和氮掺杂操作通过两个步骤实现，生产工艺复杂，影响因素增加，影响最终产品的一致性。同时，电容性能也存在提高空间。

因此，以PVDC作为原料制备氮掺杂多孔碳材料时，实现低污染、低排放，脱氯、掺氮的工艺简单，原料成本低廉，高电容性能的制备方法，在难降解高分子聚合物PVDC的回收利用方面具有可观的经济前景。