[发明专利]一种氮硼共掺杂明胶基二维炭片及其制备方法

说明书

一种氮硼共掺杂明胶基二维炭片、制备方法及其应用，以明胶和硼酸为原料经溶解混合、蒸发诱导组装、共热解及沸水回流制备得到的二维炭片；将氮硼共掺杂二维炭片、炭黑和聚四氟乙烯按比例混合可制成炭极片，作为超级电容电极片；或与炭黑和聚偏氟乙烯按比例混合做成浆料作为纽扣锂离子电池的电极片。所得炭片的氮、硼含量高，孔径分布集中，炭片尺寸大，厚度薄；这种炭片用作超级电容器和锂离子电池电极材料具有比电容大，倍率特性好等一系列优点，且电极具有极高的循环稳定性。且制备方法具有过程简单绿色，耗时短，设备简单易得等优点。

技术领域

本发明涉及材料科学无机非金属材料科学技术分支——炭素材料科学技术领域和超级电容器、锂离子电池储能领域，尤其是一种以生物质作为碳和氮源，以硼酸作为硼源，制备氮硼共掺杂明胶基二维炭片的方法。

背景技术

超级电容器是一类新型的储能设备，兼具传统电容器的高倍率特性和二次电池高能量密度的特性，具有充电速度快，循环寿命长，使用温度范围广，维护成本低等优点。超级电容器的一系列优点使其成为了一种应用广泛的储能装置，被广泛用作备用电源，供能系统及可再生资源发电的能量储存系统等。由于超级电容器的使用寿命极长，能量利用率高，因此在节能环保方面极具潜力，成为近年来备受关注的研究热点。

锂离子电池是目前使用最为广泛的二次电池，它具有能量密度高，循环寿命长，倍率性能优异等优点。锂离子电池被广泛的用于便携式电子设备、通讯设备、电动交通工具等领域。由于需求的日益增大，因此开发新型电极材料逐渐成为锂离子电池领域的研究热点。

电极材料是超级电容器和锂离子电池的重要组成部件，炭材料以其良好的导电性，易调控的孔尺寸和结构，优异的稳定性以及原料来源丰富等优势成为了超级电容器和锂离子电池理想的电极材料，备受科学界和工业界的关注。

目前用于超级电容器和锂离子电池电极的炭材料主要通过化石燃料、合成有机高分子、生物质制备得到，而合成有机高分子的原料也源自化石燃料这类非可再生资源，且在原料开采和转化过程中排放大量的二氧化碳，对环境造成了极大的不利影响。此外，由于化石燃料不可再生，储量有限，因此利用可再生的生物质制备高性能炭材料是超级电容器和锂电池发展的一个重要方向。禚淑萍等在“一种用于离子液体超级电容器介孔碳电极材料的制备方法”（CN 101767784）中，以甘蔗渣为原料，通过活化剂浸渍然后经微波活化得到介孔碳电极材料。李保强等在“壳聚糖质活性炭及其制备方法”（CN 101780955）中，以生物质壳聚糖作为原料，通过离子溶液活化处理后经微波碳化得到活性炭。然而已报道的方法中均需要使用大量的酸、碱或者金属离子溶液作为活化剂，且在活化工艺结束后需要消耗大量的水清洗材料。因此这类生产工艺极大的增加了生产成本，且存在水资源污染和浪费等问题，不利于整个社会的可持续发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮、硼含量高，质量比电容大，锂离子可逆存储量大的氮硼共掺杂明胶基二维炭片及其制备方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种氮硼共掺杂明胶基二维炭片，以明胶和硼酸为原料经溶解混合、蒸发诱导组装、共热解及沸水回流制备得到的二维炭片，所述二维炭片中的氮含量为6.2~10.2 wt%，硼含量为2.7~4.5 wt%，且具有介孔尺寸，炭片尺寸为20-60微米，厚度为5-8纳米。

一种氮硼共掺杂明胶基二维炭片的制备方法，包括如下步骤：

S1、热水溶解明胶及硼酸：

按照每克明胶中加入5-20 克硼酸及50-100 毫升热水的比例得到原料混合物；并将该原料混合物在60-80℃下搅拌4-12小时得到混合均匀的溶液；

S2、蒸发诱导明胶和硼酸组装：

将上述溶液在70-95℃范围内的恒定温度下搅拌蒸发水分至完全干燥，得到明胶和硼酸的组装混合物；

S3、将明胶和硼酸的组装混合物惰性气氛下共热解：