[发明专利]一种以褐煤为原料制备超级电容器用富氮多孔炭材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，更具体地说，涉及一种以褐煤为原料制备超级电容器用富氮多孔炭材料的方法。

背景技术

超级电容器是一种介于传统静电电容器和二次电池之间的新型电化学储能器件。与传统储能器件相比，具有较高的能量密度和功率密度，较长的循环使用寿命，可大电流充放电，安全性能好等优点。现今，超级电容器在新能源汽车、电信通讯、军事等诸多领域有着巨大的应用前景和市场潜力。

多孔炭材料有着价格低廉、比表面积高、孔径可调、电化学性能优越以及环境友好的特点，常作为超级电容器的电极材料。近年来，富氮多孔炭材料引起人们的广泛关注。富氮多孔炭材料除了具有高比表面积外，还具有丰富的氮原子掺杂。由于氮原子的存在，多孔碳材料的电子导电性及表面润湿性大大提高。此外，氮原子还有赝电容贡献，从而大大提高了多孔碳材料的超电容特性。目前，富氮多孔炭材料的制备主要包括两种方法：(1)通过二次氮化处理，在炭材料表面引入含氮官能团，但该方法工艺繁琐，成本高，且这种方法通常只能使氮原子掺杂在碳材料表面；(2)以富氮碳源直接作为原料来合成富氮多孔炭，该方法工艺简单，可实现氮原子在整个炭材料内部均匀原位掺杂。

我国褐煤资源丰富、价格低廉，已探明的褐煤保有储量就达到1431亿吨，但褐煤高水分、高挥发分、低发热量等缺点使其直接利用受到了很大的限制。但是褐煤本身富含含氮有机物，这为合成具有高附加值的含氮多孔碳材料提供了可能。

经检索，中国专利申请号201310392185.0，申请日为2013年9月3日，发明创造名称为：一种用于超级电容器电极材料煤基活性炭的制备方法；该申请案以褐煤为原料，氯化锌为活化剂，原料依次经过酸洗、水洗，碳化活化，酸洗、水洗。该申请案得到的产品具有较高比表面积，较低灰分，良好的电化学性能，但该申请案采用ZnCl₂活化的方法，仍存在较多缺陷：如活化前的材料需要用ZnCl₂溶液浸渍处理，制备过程繁琐；此外，使用ZnCl₂活化制备出的炭材料比表面积仍较低，最大比电容仅为207F g^-1，并不适用于作为超级电容器的电极材料，仍需进一步改进。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明鉴于现有利用褐煤制备多孔炭材料的方法，活化步骤繁琐，制备出的炭材料比表面积较低且孔径分布不合理，作为超级电容器的电极材料效果不理想，提供了一种以褐煤为原料制备超级电容器用富氮多孔炭材料的方法；本发明选择天然褐煤为原料，采用碱金属氢氧化物一步活化制备富氮多孔炭材料，这种原位掺杂得到的多孔炭在双电层储能的基础上拥有一定的赝电容，相比传统方法得到的炭材料，不仅性能优异，而且节能、环保，无需后续氮化处理，工艺简单，成本低，作为超级电容器电极材料有着广阔的工业应用前景。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种以褐煤为原料制备超级电容器用富氮多孔炭材料的方法，其步骤为：

步骤一、将褐煤粉碎后，用去离子水冲洗去除表面的杂质，洗净后烘干；

步骤二、将步骤一干燥后的褐煤放入管式炉内，在惰性气体中，以1～10℃/min的速率升温至预碳化温度，并在该温度下保温2h，得到炭前驱体；

步骤三、研磨步骤二所得炭前驱体，并与碱金属氢氧化物按一定比例均匀混合，然后置于惰性气体中，以1～10℃/min的速率升温至活化温度，保温1～10h，在此活化温度下对炭前驱体进行活化，得到活化产物；

步骤四、对步骤三得到的活化产物进行酸洗中和，并用去离子水清洗至中性，干燥、研磨后，得到目标产物：超级电容器用富氮多孔炭材料。

更进一步地，步骤二所述预碳化温度为350～550℃。

更进一步地，步骤三中炭前驱体与碱金属氢氧化物按1:2～5的质量比均匀混合。

更进一步地，步骤三所述碱金属氢氧化物为氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或二者的混合物。

更进一步地，步骤三所述活化温度为700～900℃。

更进一步地，步骤二和步骤三所述的惰性气体为氮气、氩气或氦气中的一种或多种。

更进一步地，步骤四使用盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种或多种对活化产物进行酸洗中和。