[发明专利]一种椭球状的氮掺杂介孔碳及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种椭球状的氮掺杂介孔碳材料及其制备方法和其在制作超级电容器的电极材料方面的应用，属于无机纳米材料及电化学领域。

背景技术

有序介孔碳作为一类新型的多孔材料，由于其具有高的比表面积和孔体积，均一的孔径分布，良好的水热稳定性和导电性等优势，以被广泛应用于催化，吸附，电化学，能量存储以及生物的各领域。通过异质原子的掺杂对介孔碳材料进行功能化处理，对其性能的改善有着重要的研究价值和应用前景。在众多的掺杂剂当中，氮是最受研究者们追捧的一种元素。氮在元素周期表中位于第五主族，与碳原子相邻，原子半径也与碳原子的半径接近，因此氮原子的掺杂可使碳材料的晶格畸形变较小。理论和实验研究表明杂原子的掺杂可以改变碳材料的晶体结构和电子结构，从而提高其电化学性能，可以作为超级电容器电极材料。

目前，对于氮掺杂多孔碳材料的研究越来越多。Jing Wei等以三嵌段高聚物F-127为模板剂，用双氰胺做氮源，采用蒸发诱导自组装方法合成出了氮掺杂介孔碳。其比表面积达494-586 m²/g，氮含量最高为13.3%。研究表明，由于具有较大的比表面积和较高的氮含量，该碳材料表现出较强的CO2捕获能力以及良好的电化学性能，当电流密度为0.2A/g时，氮掺杂介孔碳的电容量达262F/g(1M H2SO4)，227F/g(6M KOH)( Wei, Jing,Zhou, Dandan,Sun, Zhenkun, Deng, Yonghui,Xia, Yongyao,Zhao, Dongyuan. A Controllable Synthesis of Rich Nitrogen-Doped Ordered Mesoporous Carbon for CO2Capture and Supercapacitors. Adv. Funct. Mater. 2012.)。

高秋明等以介孔氧化硅粉体、乙二胺为前驱物制备有序介孔碳氮化合物，然后在高温氢氧化钾活化下，通过控制活化剂氢氧化钾与有序介孔碳氮材料的质量比，得到了具有相当高的比表面积和孔容的含氮碳材料，其作为超级电容器的电极材料在碱性电解质中，2mV. s^-1扫描速率下其双电容比电容分别达到318F/g和328F/g。但是并没有涉及不同形貌的氮掺杂介孔碳的制备（高秋明;姜金华.一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法:中国，101306807A[P]，2008-11-19.）。

以上方法主要集中于制备具有较大的比表面积和较高的电容量的氮掺杂碳材料，还没有出现对氮掺杂碳材料的形貌进行控制方面的专利申请。由于不同形貌的介孔碳具有不同的堆积密度（所谓堆积密度，是指材料在自然堆积状态下的密度）。其中圆球具有较大的堆积密度值约为0.7405；对于椭球而言，有文献报道，当椭球的长短轴比为1.732时，堆积密度约为0.7704。即椭球的堆积密度将大于圆球状的堆积密度（Aleksandar Donev,Frank H. Stillinger, P. M. Chaikin, Salvatore Torquato. Unusually Dense Crystal Packings of Ellipsoids. Phys.Rev.Lett.92.255506）。并且在超级电容器的制备过程中，具有大的堆积密度的材料有利于活性材料的密集堆积，从而在单位体积内放置更多的活性物质，增加电容器的体积比能量，有利于提高超级电容器的电化学性能。

然而，目前没有关于椭球状的氮掺杂介孔碳制备的报道。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种椭球状的氮掺杂介孔碳材料。

本发明的目的之二是提供上述的一种椭球状的氮掺杂介孔碳材料的制备方法。

本发明的目的之三是提供一种利用上述的一种椭球状的氮掺杂介孔碳材料制作超级电容器的电极材料的方法。

本发明的技术方案

一种椭球状的氮掺杂介孔碳材料，通过包括如下步骤的方法制备：

首先，以椭球状介孔二氧化硅为硬模板，有机高分子聚合物为碳源，含氮前驱体为氮源，用乙醇做溶剂，搅拌使得碳源和氮源充分浸入到椭球状的介孔二氧化硅的孔道中，待乙醇溶剂挥发完后，于30-80℃进行干燥24h，即得氮掺杂的椭球状介孔碳；

上述所用的椭球状的介孔二氧化硅，有机高分子聚合物，含氮前驱体和乙醇的量，按椭球状的介孔二氧化硅：有机高分子聚合物：含氮前驱体：乙醇为1g：2.60-7.54g：0.08-0.27g：20mL比例计算；