[发明专利]一种氮掺杂多孔碳负载绒球NiO复合电极材料及制备方法

说明书

本发明涉及超级电容器技术领域，且公开了一种氮掺杂多孔碳负载绒球NiO复合电极材料，相对于纯多孔碳与氧化镍电极材料，复合电极材料同时具有更优秀的导电性与比电容量，复合材料中多孔碳与氧化镍之间发生协同作用，提升了复合电极材料的电化学性能，其中氧化镍负载在氮掺杂多孔碳上，增加了多孔碳的比电容，除此之外，多孔碳具有良好的导电性，在复合电极材料中添加多孔碳，能够提升复合材料的导电性，并保持电容量的稳定性，氮掺杂多孔碳能够增加多孔碳材料的电化学性，进一步提升复合电极材料的比电容量与导电性。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体为一种氮掺杂多孔碳负载绒球NiO复合电极材料及制备方法。

背景技术

随着人类文明的飞速发展，对能源的需求呈指数增长，而现阶段能源的主要来源为化石燃料的燃烧，但化石燃料的不可逆燃烧会产生温室气体，从而导致环境恶化，因此，寻求生态友好和具有成本效益的能源是人类能继续在这个星球上生存的迫切要求，太阳能和风能可能是未来可能的能源解决方案，但是，这两种资源并不总是可以按需提供，因此，迫切需要快速充电的能量存储设备，该设备可以存储电能以备将来使用，超级电容器，由于其高功率密度，长期循环稳定性，高安全性和环境友好性，被认为是先进的混合储能系统，但是除此之外，比电容量是超级电容器的主要问题，与可再充电电池相比，其比电容量非常低，因此，大多数可观的研究工作都集中在通过电结构化策略或通过材料工程来提高超级电容器的比电容量。

基于能量存储机制，电化学电容器可分为两种类型：双电层电容器（EDLC）和伪电容器，与仅通过电极材料表面的离子吸附/解吸来存储能量的双电层电容器相比，伪电容器可以利用快速可逆的表面或近表面的氧化还原反应来提供3-4倍的高电容，而影响伪电容器的主要因素之一是电极材料，过渡金属氧化物，例如氧化锰，氧化钴，氧化镍和氧化铁，是典型的伪电容电极材料，其中，由于NiO的多种氧化态，低成本以及理论较高的比电容，近年来引起了越来越多的关注，但NiO作为电极材料，其导电性较差，在充放电过程中，易受到体积膨胀效应的影响，稳定性差，实际比电容低，作为典型的电极，多孔碳材料具有成本低，导电性强的优点，而其孔结构和大的比表面积更是可以为电解质提供更多的接触位点，但多孔碳的理论比电容较低，单独作为电极材料，电容器的储容量较差。

（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多孔碳负载绒球NiO复合电极材料及制备方法，解决了NiO电极材料导电性低和多孔碳电极材料比电容差的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氮掺杂多孔碳负载绒球NiO复合电极材料，所述氮掺杂多孔碳负载绒球NiO复合电极材料制备方法包括以下步骤：

（1）将吡咯烷，氯甲基乙烯基苯和氢化钠溶解在N,N-二甲基甲酰胺中进行反应，得到1-（4-乙烯基苄基）吡咯烷，其分子式为C₁₃H₁₇N；

（2）将苯乙烯与1-（4-乙烯基苄基）吡咯烷溶解在己烷溶剂中，然后向其中加入四甲基乙二胺和正丁基锂并进行聚合反应，待反应结束后，再向溶液中添加乙醇，蒸干溶剂，得到吡咯基聚苯乙烯；

（3）将吡咯基聚苯乙烯充分溶解在四氯化碳中，然后再加入纳米二氧化硅，超声分散均匀后，再加入氯化铝进行交联反应，待反应结束后，过滤并使用乙醇进行洗涤，得到吡咯基聚苯乙烯交联微球包覆纳米二氧化硅；

（4）将吡咯基聚苯乙烯交联微球包覆纳米二氧化硅放置管式炉中，在氮气氛围下进行碳化，然后使用氢氟酸溶液和去离子水分别进行洗涤，干燥，得到氮掺杂多孔碳；

（5）将硝酸镍，尿素和多孔碳溶解在去离子水中，搅拌均匀后转移至反应釜中进行水热反应，待反应结束后，过滤，洗涤，干燥，得到氮掺杂多孔碳负载绒球NiO复合电极材料。

优选的，所述步骤（2）中苯乙烯，1-（4-乙烯基苄基）吡咯烷，四甲基乙二胺和正丁基锂之间的质量比为100:15-40:30-40:18-22。