[发明专利]一种无烟煤基氮掺杂多孔炭材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种无烟煤基氮掺杂多孔炭材料及其制备方法和应用，包括：(1)将高阶无烟煤经过破碎、浮选、洗涤、干燥，得到灰分低于2.0wt％的超纯煤；(2)将超纯煤进行球磨、筛分，得到粒径小于25μm的超纯煤粉作为碳前驱体；(3)将碳前驱体与氢氧化钾和含氮有机单体球磨混合均匀；(4)将步骤(3)所得混合物在惰性气氛或还原性气氛下进行预活化；(5)将步骤(4)所得产物在惰性气氛或还原性气氛下进行二次活化，将所得的产物进行酸洗、水洗、干燥，得到无烟煤基氮掺杂多孔炭材料。本发明解决了炭材料活化深度难以保证和氮掺杂含量较低的问题。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种无烟煤基氮掺杂多孔炭材料及其制备方法和在超级电容器领域的应用。

背景技术

在全球气候变暖、化石能源消耗加剧的背景下，研究人员纷纷开展可再生能源储能的研究。超级电容器，又称电化学电容，因其功率密度高、充放电速率快、循环寿命长等特点而备受关注。而炭材料具有大比表面积、孔道结构可调、导电性好、化学稳定性优异等优势，一直以来是制作超级电容器电极材料的首选材料。对炭材料进行氮掺杂，引入含氮官能团可以有效提高材料的表面活性，从而提高其在超级电容器中的电化学性能。

制备炭材料的原料和方法多样，煤作为其中一种原料，是一种价格低廉，储量丰富的工业原料，煤的含碳量高，可以通过进一步的处理制备出高附加值的先进炭材料。相比于沥青、烟煤、褐煤等其他煤产品，无烟煤是煤化程度最高的一种煤，具有更高的碳含量，非常低的灰分，同时，相对其他制备炭材料的原料如葡萄糖、淀粉、高分子聚合物等，无烟煤具有价格便宜，环境友好，原料储量丰富等优点。

为了使炭材料具有更高的比表面积及更丰富的孔道结构以提高其在电极材料方面的应用性能，尝试用如电沉积、化学气相沉积、模板法等方法。但电沉积法工作时产生电弧，对能量的消耗较大，而化学气相沉积法需要将气态原料导入腔室沉积，条件严格且制备量小，最常用的模板法制备过程中通常会用到如纳米金属盐、二氧化硅、金属氧化物等模板剂，对环境污染大，之后又需要去除模板剂工艺复杂，流程繁琐。无模板法相比于上述其他方法，不需要去除模板，对环境友好，且制备工艺简单。

中国专利(公开号为CN10967515A)公开了一种无烟煤基氮掺杂多孔碳材料的制备方法与应用。其制备方法是将简单研磨和洗涤过的无烟煤先进行高温碳化，再与氢氧化钾和三聚氰胺研磨混合后二次碳化得到的多孔碳材料。但这种先将碳前驱体碳化而后再掺杂活化的方法存在明显的缺陷，第一，这种先通过高温碳化形成碳材料而后活化的方法难以保证材料的活化深度，因为一次活化采用的温度为650℃这与二次活化的温度700～900℃之间差距并不大，而初次碳化使用的温度较高则意味着材料可能已经发生了性质和结构的改变，这样碳材料会失去部分的孔隙结构导致二次碳化再掺入氢氧化钾活化时，部分孔隙结构难以恢复，从而导致活化深度难以保证；第二，材料在二次碳化使用氮源进行氮掺杂时，由于一次碳化后碳材料中的石墨层早已形成，故氮元素会很难进入，这会导致氮掺杂含量较低，从而进一步影响材料的催化活性。

发明内容

针对上述现存的技术问题，本发明提供一种无烟煤基氮掺杂多孔炭材料及其制备方法和应用，以解决活化深度难以保证和氮掺杂含量较低的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种无烟煤基氮掺杂多孔炭材料的制备方法，包括：

(1)将高阶无烟煤经过破碎、浮选、洗涤、干燥，得到灰分低于2.0wt％的超纯煤；

(2)将超纯煤进行球磨、筛分，得到粒径小于25μm的超纯煤粉作为碳前驱体；

(3)将碳前驱体与氢氧化钾和含氮有机单体球磨混合均匀；

(4)将步骤(3)所得混合物在惰性气氛或还原性气氛下进行预活化；

(5)将步骤(4)所得产物在惰性气氛或还原性气氛下进行二次活化，将所得的产物进行酸洗、水洗、干燥，得到无烟煤基氮掺杂多孔炭材料。