[发明专利]一种炭基金属氮化物、碳化物超电容材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料的制备方法，更具体地说是炭基金属氮化物、碳化物超电容材料的制备方法。

发明背景

超级电容器是一种新型的功率型电子元器件，克服了普通电容器比能量低的缺点，同时也克服电池比功率低、不能大电流放电的缺点。它安全可靠、适用范围宽，绿色环保、不产生污染，在信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等多个领域具有极其重要和广阔的应用前景。

电极材料是决定超级电容器电容大小的关键因素。电极材料的电容包括双电层电容与氧化还原赝电容。金属化合物的超电容不高，主要原因在于其表面积小。为提高电极材料的比电容，往往采用载体负载金属化合物的方法。如申请号为02130061.5的专利采用活性炭浸渍无机金属盐水溶液，制备负载过渡金属的活性炭电极，其比电容为340F/g。申请号为200310107714.4的专利采用活性炭沉积镍氧化物作为超级电容器电极材料，沉积在活性炭上的镍氧化物的沉积量为1.0～14.0mg/g。由于沉积量少，比电容提高不大。申请号为00819536.6的专利将金属氧化物沉积在碳孔隙中制备了碳/金属氧化物复合电极材料，虽然其电容为双电层与金属氧化物伪电容的组合，但其比电容值为254F/g，仍然不高。

上述专利中超电容材料的比电容值不高，是由于载体炭上负载的超电容金属化合物少，在炭的双电层电容基础上提供的赝电容小，主要原因在复合电容材料的制备过程中采用浸渍、或机械混合等方法，其结果是实际浸渍量少或大量的金属化合物没有进入到炭的空隙结构中。

迄今为止，没有以预凝胶作为分散介质的方法制备金属氮化物、碳化物材料，也没有高比电容的炭基金属氮化物、碳化物材料制备方法。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种炭基金属氮化物、碳化物超电容材料的制备方法，以炭气凝胶为基体，在形成凝胶的过程中，预凝胶后加入过渡金属化合物，在含氮化合物或氢气作用下制得炭基金属氮化物、碳化物。充分利用炭气凝胶具有低的电阻、大的比表面积、高的双电层电容，过渡金属氮化物、碳化物及碳氮金属化合物也具有超电容性质，将它们生成在炭气凝胶的大比表面积上，控制生成层的厚度，以期获得具有高比电容值的超级电容器电极材料。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明炭基金属氮化物、碳化物超电容材料制备方法的特点是在以间苯二酚和甲醛为反应物，以乙酸钠或丙酸钠或此两种混合盐为添加剂的凝胶过程中加入过渡金属化合物，共同完成凝胶反应，获得富含过渡金属盐且分散均匀的RF水凝胶，所得水凝胶在氮化气体或氢气作用下经常压干燥和炭化，制得炭基过渡金属氮化物、碳化物超电容材料；其中：

间苯二酚与甲醛的摩尔比R/F为0.2～0.8、

间苯二酚与添加剂的摩尔比R/C为1～1000、

间苯二酚与加入的水的质量比为0.05～0.4、

过渡金属化合物与间苯二酚的质量比为0.1～0.70。

本发明方法的特点也在于按如下步骤操作：

a、间苯二酚溶于去离子水中，然后加入添加剂，再加入甲醛溶液，混合均匀，置于密封反应器中；

b、经预凝后加入过渡金属化合物混合均匀，共同完成凝胶过程，制得水凝胶；

c、在氮化气体或氢气作用下，采用常压干燥和炭化，完成制备过程；

d、钝化后置于干燥器中备用。

本发明方法的特点还在于：

所述步骤b中，预凝过程温度为40℃至100℃，时间为0.2小时～5小时；所述加入过渡金属化合物混合均匀后的凝胶过程温度为40℃至100℃、时间为0.3小时～80小时；

所述步骤c中，干燥和炭化的温度为500℃～1300℃，时间为1小时～15小时；

所述步骤d中，钝化气体中含0.2％～1％O₂的氮化气体或氢气，钝化时间为1～24小时。

所述过渡金属化合物为水溶性钒盐、锰盐、铬盐、钼盐、钨盐、镍盐、钛盐、10碳以下过渡金属有机酸盐或其混合物。

所述氮化气体为氮气、氨气、肼、或含氨基有机液体。

经本发明方法的制备，可以在高比表面积炭气凝胶的表面生成氮化钒、氮化锰、氮化镍、氮化铬、氮化钛、氮化钼、氮化钨、碳化钒、碳化锰、碳化镍、碳化铬、碳化钛、碳化钼、或碳化钨等高比电容的复合电极材料。

炭及炭基金属氮化物碳化物的电化学性能测试：