[发明专利]一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用。本发明所提供的自掺氮多级孔碳材料以含氮水生植物为前驱体，通过高温活化法合成，具有微孔、介孔和大孔的三级孔道结构，比表面积大，含有杂原子氮，可作为超级电容器电极的理想材料，在碱性电解液中比电容可达250～290F/g，可重复3000次以上充放电循环。且本发明的掺氮多级孔碳材料制备方法中前驱体来源于实际生活中的含氮水生植物，成本低；无需添加外源含氮单体或后处理氮改性，更加高效、环保。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料领域，特别是涉及一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

煤、石油等不可再生能源日益枯竭，且带来了严重的环境问题。各国科学家正致力于开发新型可循环绿色能源储存设备(如电池和超级电容器)。超级电容器作为一种独特的能源储存设备，具有充电时间短，寿命长，稳定性高，环境友好等优点。超级电容器的核心部件是其电极；其中，碳材料类电极由于其低成本、易改性、高导电率等优势成为制备电极材料的热门。目前限制碳材料电极大规模商业应用的主要原因在于其电化学性能相对较差。

为进一步提高多孔碳材料电极性能，一方面需要增加碳材料比表面积，丰富孔类型(微孔、介孔和大孔)，其中，微孔利于电解质离子的储存，而介孔和大孔可以为电解液的快速传输提供通道。另一方面，在碳电极中掺加氮(N)、硼(B)、硫(S)等杂原子，可以提高材料湿润性，降低电解液传输阻力。此外，杂原子还能与电解液发生氧化还原反应，从而产生赝电容，提高电极材料性能。其中，杂原子N被认为最有效而受到广泛应用；目前合成多级孔碳材料的方法一般为模板法和活化法相结合，需要繁琐的步骤；还有一种掺杂N等杂原子的方法主要为添加外源含氮单体(三聚氰胺)或后处理法(氨气)，工艺复杂，产生二次污染，成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种自掺氮多级孔碳材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中多孔碳材料电极电化学性能差，工艺复杂，成本高且污染大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种自掺氮多级孔碳材料，包括以下步骤的方法制备得到：

(1)对含氮水生植物进行烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末；

(2)对所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得到混合物；

(3)对所述混合物进行高温热解，得到碳材料；

(4)采用洗脱液对所述碳材料进行碱洗以及酸洗，去掉所述碳材料中的杂质和活化剂，得到洗脱后的碳材料粉末；

(5)利用去离子水对所述洗脱后的碳材料粉末进行冲洗，得到冲洗后的碳材料粉末；

(6)对所述冲洗后的碳材料粉末进行烘干，得到自掺氮多级孔碳材料。

可选的，所述自掺氮多级孔碳材料含有杂原子N含量为1.6％～3.3％；

所述自掺氮多级孔碳材料为三级孔结构，所述三级孔结构为微孔、介孔以及大孔；

所述自掺氮多级孔碳材料的比表面积为1500～1800m²/g；所述微孔的面积为1200～1300m²/g；所述介孔的面积为300～500m²/g；孔容为0.5～0.9cm³/g。

一种自掺氮多级孔碳材料的制备方法，包括：

(1)对含氮水生植物进行烘干、粉碎以及过筛，得到含氮水生植物粉末；

(2)对所述含氮水生植物粉末与活化剂进行球磨，得到混合物；

(3)对所述混合物进行高温热解，得到碳材料；