[发明专利]采用动物的毛发制备氮掺杂多孔碳用于超级电容器

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种氮掺杂介孔碳做超级电容器材料的制备方法，更具体地说是用动物毛发做氮掺杂多孔碳来制备超级电容器材料的方法，将动物如马、牛、猪、羊、狗等的毛发在氮气气氛下高温碳化，然后用浓氢氧化钾在适当的温度下处理一定时间，最终获得氮掺杂的多孔碳，这种氮掺杂多孔碳具有很大的比表面积和微孔，可以用做超级电容器的材料。

背景技术

由于严峻的环境问题和石油能源危机使得当前和未来对于绿色能源生产和储能设备的开发更为紧迫。对于不可连续的能源比如风能，太阳能，氢能和地热等的开发依赖于更加有效的能量储存设备。超级电容器通过阴阳极离子可逆的吸附到具有较大的比表面积的活性电极表面进行电力储存。具有较高性能的超级电容器电极材料首先要具备较大的比表面积去容纳较多的电解质离子从而提高比电容量。目前应用于商业的超级电容器电极材料的主流还是生物质衍生出的多孔材料，主要由于制造成本低廉，原料丰富和能源环境问题。

目前使用植物系生物废料做原料被人们广泛的研究，有些研究者开始致力于动物系废料的应用。有报道使用鸡内金合成出具有较大的比表面积和丰富的孔道的氮掺杂多孔碳材料。

本发明旨在利用动物毛发制备氮掺杂多孔碳材料，并将其应用于超级电容器材料。

发明内容

动物的毛发是一种含有蛋白质的有机物，而蛋白质中含有氮元素，所以这种动物的毛发经高温碳化后可以直接获得氮掺杂的多孔碳。从而快速获得具有高比容量超级电容器的材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

将一定量的动物毛发如马、牛、猪、羊和狗的毛等，在高温氮气气氛下碳化，然后用浓氢氧化钾溶液在一定温度下浸泡几个小时，过滤，水洗到中性，空气中晾干，获得氮掺杂的多孔碳。

本发明利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等表征手段分析了所制备的样品。

本发明的有益效果是：

本发明的由动物毛发高温碳化并用氢氧化钾溶液处理过的氮掺杂多孔碳处理，具有比较大的比表面积2149.9m²g^-1,微孔直径为1.78nm，在6MKOH电解质中，1Ag^-1电流密度下的比电容量最大为198.0Fg^-1。在2Ag^-1电流密度下经过3000次循环后的比电容量保留率为91.6%，本发明的氮掺杂多孔碳材料，适用于超级电容器材料。操作方法简单，成本低廉、可重复。

附图说明

图1动物毛发高温（a,800,b,900,c1000度）碳化并用碱处理后的氮掺杂多孔碳，d,1000度下碳化的多孔碳透射电镜图。

图2不同焙烧温度下氮掺杂多孔碳的大角XRD图谱。

图3不同焙烧温度下氮掺杂多孔碳的氮气吸附-脱附以及孔径分布图。

图4不同温度下碳化后的氮掺杂多孔碳XPS图谱，样品含有氮元素。

图5不同温度下碳化后的氮掺杂多孔碳循环伏安图，扫描速率20mv/s.

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

所述方法如无特别说明，均为常规方法。所述材料如无特别说明，均能从公开商业途径购买得到。

实施例1

将1.0克动物的毛发（羊毛）在氮气气氛下800度下碳化2小时，升温速率为1度/分钟，冷却到室温后，用2mol.L^-1的氢氧化钾溶液10克在40度下搅拌处理2小时。取出后过滤，并用去离子水洗涤到中性，空气中晾干。即获得氮掺杂的多孔碳材料。

实施例2

将1.0克动物的毛发（羊毛）在氮气气氛下900度下碳化2小时，升温速率为5度/分钟，冷却到室温后，用4mol.L^-1的氢氧化钾溶液15克在80度下搅拌处理4小时。取出后过滤，并用去离子水洗涤到中性，空气中晾干。即获得氮掺杂的多孔碳材料。

实施例3

将1.0克动物的毛发（羊毛）在氮气气氛下1000度下碳化2小时，升温速率为10度/分钟，冷却到室温后，用6mol.L^-1的氢氧化钾溶液20克在120度下搅拌处理6小时。取出后过滤，并用去离子水洗涤到中性，空气中晾干。即获得氮掺杂的多孔碳材料。