[发明专利]一种氮掺杂介孔碳-ZnO的复合材料及在超级电容器中的应用

说明书

本发明涉及介孔活性炭技术领域，且公开了一种氮掺杂介孔碳‑ZnO的复合材料，6‑溴‑2,3‑二氮杂萘酮与对氯苯腈反应，产物与亚铁氰化钾反应，得到氰基苯基‑6‑氰基二氮杂萘酮，其自身发生三聚反应，最后经过高温碳化，得到氮掺杂介孔碳材料，硝酸锌分解形成氧化锌晶核，晶核不断生长，形成氧化锌纳米棒，氧化锌纳米棒吸附聚乙二醇，以聚乙二醇为桥梁，最终组装成纳米氧化锌空心球，纳米氧化锌空心球生长在介孔碳材料的孔隙结构中，纳米氧化锌被包覆在介孔碳材料的空隙结构中，可以有效避免纳米氧化锌空心球的堆积和团聚现象，并能够缓解纳米氧化锌在充放电过程中发生的体积膨胀现象，从而提高了复合电极材料的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及介孔活性炭技术领域，具体为一种氮掺杂介孔碳-ZnO的复合材料及在超级电容器中的应用。

背景技术

随着全球经济的飞速发展，化石能源使用量急剧增加，随之而来的是全球范围的能源短缺和环境污染问题，因此急需开发出新型能源供以使用，就目前的情况来说，风能、氢能、潮汐能、太阳能等天然能源是研究较多的新型能源，然而这些能源的开采非常依赖气候和环境，因此需要开发出高效的能源储能和转换设备，对这些能源进行储存和使用，在众多的储能装置中，超级电容器作为拥有着倍率性能好、循环寿命长和功率密度高等优点，成为了人们争相研究的对象，而超级电容器的电极材料作为其组分中十分重要的一环，也有待进一步的研发。

纳米氧化锌是一种典型的多功能宽带隙n型半导体材料，具有独特的光电性能，在光电探测器、太阳能电池和发光二极管等诸多领域有着十分重要的应用，当然，纳米氧化锌具有的特殊电学性能，使得其在超级电容器的电极材料领域也有着一定的应用，然而传统的纳米氧化锌比表面积较小、导电性较差和容易发生体积膨胀等问题，难以真正应用在超级电容器的电极材料中，因此需要对纳米氧化锌进行改进，常用的改进方法为形貌改进和负载改进，即通过特殊的制备方法，制备出比表面积较大的纳米氧化锌，另外，将纳米氧化锌负载在石墨烯、介孔碳等导电基体上，通过结合石墨烯、介孔碳等导电基体的优异性能，提高纳米氧化锌的综合性能，从而进一步拓宽纳米氧化锌的应用范围。

活性炭是一种特殊孔隙形貌的碳材料，这种介孔形貌的碳材料具有较大的比表面积，因此具有很强的吸附性能，能够对氯代烃、有机磷、甲醛、苯醚等酯类和芳烃类化合物进行吸附，是一种常用的工业吸附剂，随着研究的深入，人们发现介孔活性炭具有一定的导电性，并尝试着将介孔活性炭应用于锂离子电池、超级电容器和燃料电池的电极材料领域中，然而介孔活性炭材料的导电性不足以单独作为电极材料，因此可以对介孔活性炭材料进行一些改进，目前较为可靠的改进方法包括负载改性和杂原子掺杂改性，负载改性即将氧化锌、氧化钴等无机纳米材料负载在介孔活性炭材料中，通过结合彼此的优势，形成优势互补，提高介孔活性炭材料的电化学性能，杂原子掺杂即在介孔活性炭材料中掺杂氮、磷、硫等杂原子，通过掺杂杂原子引入缺陷，进一步提高介孔活性炭材料的赝电容等电化学活性，拓宽了介孔活性炭材料的应用范围。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种氮掺杂介孔碳-ZnO的复合材料及在超级电容器中的应用，解决了纳米氧化锌基电极材料的导电性、循环性能和倍率性能较差的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氮掺杂介孔碳-ZnO的复合材料，所述氮掺杂介孔碳-ZnO的复合材料的制法包括以下步骤：

(1)向体积比为10:6-8的N,N-二甲基乙酰胺和甲苯混合溶剂中加入6-溴-2,3-二氮杂萘酮和碳酸钾，升高温度至130-160℃共沸脱水并除去甲苯，冷却后加入对氯苯腈，进行取代反应，产物沉降在乙醇和水的混合液中，沉淀抽滤并干燥，得到氰基苯基-6-溴二氮杂萘酮；

(2)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入氰基苯基-溴二氮杂萘酮、亚铁氰化钾、碳酸钠和醋酸钯，搅拌混合均匀后，转移至油浴锅中进行反应，产物沉降在去离子水中，沉淀抽滤并烘干，得到氰基苯基-6-氰基二氮杂萘酮；