[发明专利]一种氮氧共掺杂碳电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮氧共掺杂碳电极材料及其制备方法，属于电化学超级电容器技术领域，通过室温下混合氨基羟基吡啶、3‑卤代苯酚和六亚甲基四胺、水热法聚合得到富含氮氧元素的卤代树脂微球、低温脱卤碳化和低温KOH活化制成。本发明中的低温脱卤碳化有利于提升芳香环共轭程度；低温KOH活化则引入大量具有赝电容活性的氢醌羟基/醌羰基，含氮官能团转化为具有赝电容活性的吡咯氮，有效提高了具有赝电容活性杂原子掺杂量；同时，低温KOH活化促进了spsupgt;3/supgt;杂化碳原子向spsupgt;2/supgt;杂化碳原子的转化，提高了共轭程度和导电性，改善其电化学倍率性能。作为超级电容器电极材料时，氮氧共掺杂碳材料表现出高容量、良好的倍率性能和稳定性。

技术领域

本发明涉及电化学超级电容器技术领域，尤其涉及一种氮氧共掺杂碳电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器是人们广泛关注的一种新型储能器件，具有功率密度高，循环寿命长，安全性好等特点。超级电容器的性能主要取决于电极材料。碳材料是目前广为使用的一种超级电容器电极材料，其具有良好的导电性、稳定的物理及化学性质，且廉价易得等优点。一般来说，碳材料优异电化学性能的实现取决于两个主要因素：高导电性和优异的表面孔隙结构(New Journal of Chemistry，2019，43，15892-15898)，但是对于纯粹的碳材料而言，若仅具有双电层电容，用于超级电容器电极材料时能量密度低，并不能满足实际需求，因此，为了进一步提高碳材料的电化学性能，杂原子掺杂是一种有效的手段，尤其是氮原子的掺杂可以改变碳材料的表面共轭结构和电子分布，从而提高浸润性(ElectrochimicaActa 294(2019)183-191；Advanced Science 2017,1600408)。同时，含氮和含氧官能团的存在可以通过与电解质离子发生氧化还原反应提供额外的赝电容，从而增强储能能力(Journal of Materials Chemistry,2012,22,14076)。

聚合物因其来源丰富、合成简便、杂原子掺杂均匀等优点而被广泛用作碳材料的前驱体，例如，酚醛树脂由于具有较高残炭率而得到了广大研究者的青睐。但现有的方法中，对酚醛树脂进行高温热处理时，虽然得到的碳材料石墨化程度较高，导电性较好，但杂原子大量损失；低温热处理虽然能够保留更多杂原子，但石墨化程度不够高，导电性较差，电化学活性低，很难用于电极材料。因此，如何平衡高杂原子掺杂量与导电性之间的关系依然是开发高性能杂原子掺杂碳电极材料的一个重要挑战。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种氮氧共掺杂碳电极材料的制备方法，在低温热处理条件下开发兼具高杂原子掺杂量、导电性良好的氮氧共掺杂碳电极材料。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种氮氧共掺杂碳电极材料，氮氧共掺杂碳电极材料经由混合氨基羟基吡啶、3-卤代苯酚和六亚甲基四胺、水热法聚合制备树脂微球、低温脱卤碳化和低温KOH活化制得。

本发明还提供了氮氧共掺杂碳电极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氨基羟基吡啶、3-卤代苯酚和六亚甲基四胺溶于水中，搅拌形成混合溶液；

(2)将混合溶液转移到反应釜中进行水热反应，对固体产物进行离心，用水和乙醇交替清洗，干燥得到富含氮氧元素的卤代树脂微球；

(3)将树脂微球在氮气气氛中热处理进行碳化，冷却得到黑色样品；

(4)将黑色样品与KOH研磨混合均匀，在氮气气氛中活化，再冷却，用盐酸溶液洗掉固体产物中剩余的KOH，再用水洗涤至中性，真空干燥得到氮氧共掺杂碳电极材料。