[发明专利]一种浸渍-活化法制备氮氧双掺杂浒苔基层次孔碳材料的方法及其用途

说明书

本发明公开了一类浸渍‑活化法制备氮氧双掺杂浒苔基层次孔碳材料的方法及其用途，属于新能源材料领域。该氮氧双掺杂浒苔基多孔碳材料采用活化法制备得到，首先利用一定浓度的KOH、NaOH、H₃PO₄、K₂CO₃、ZnCl₂溶液等作为活化剂与干燥的浒苔混合，并浸泡一定时间，经干燥后得到浒苔‑活化剂前驱体。然后进一步通过高温碳化‑活化和酸洗等工艺步骤得到氮氧双掺杂多孔碳材料。该方法得到的电极材料具有三维开放结构、比表面积大、层次孔结构以及丰富的异质元素掺杂等特点，可以通过控制工艺条件对其形貌、结构等进行调控，可用于超级电容器、锂离子电池电极材料。本发明提供的方法以浒苔作为原材料，具有来源丰富、成本低、制备工艺简单的优点，既是浒苔的高附加值利用，也有效的降低了电极材料的成本。

技术领域

本发明属于新能源材料领域，提供了一类浸渍-活化法制备氮氧双掺杂浒苔基层次孔碳材料的方法及其在超级电容器、锂离子电池电极材料等方面的应用。

背景技术

高性能、低成本碳材料的制备一直成为制约能量存储进步的瓶颈。现如今，考虑到商业成本和可持续发展问题，利用生物质前驱体制备碳材料已成为重要的发展方向。比如椰壳、木材、稻谷壳、核桃壳、香蕉皮、纤维素等被用来制备多孔碳材料，并将其用作超级电容器和锂离子电池电极材料。

超级电容器，又称双电层电容器或电化学电容器，具有功率密度高、可逆性好、循环寿命长等特点，在移动通讯、电动汽车、国防科技等领域具有广阔的应用前景。电极材料是超级电容器最重要的部分，电极材料主要有碳材料、贵金属氧化物、导电高分子聚合物等三类。金属氧化物和导电聚合物的由于循环寿命较短等缺点，限制了其在超级电容器方面的应用。而碳电极材料由于具有良好的电化学稳定性，高电导性和循环寿命长等优点，已经成为超级电容器电极材料的主要研究对象。研究表明，开放的形貌结构、连续的孔道结构以及合理的孔径分布能够有效地保证电解液离子的快速输运、大量累积，从而实现较高的电容值以及优异的倍率性能。此外，对碳材料进行异质杂质原子掺杂掺杂，可以获得一定量的氧化还原赝电容，进一步提高碳材料的电容值。

锂离子电池具有工作电压高、质量轻、自放电小及无环境污染等突出优点，成为移动电话、摄像机等电子装置小型轻量化的理想电源，也是未来汽车高能动力电池的首选电源。近几年，对锂离子电池的功率密度和能量密度提出了更高的要求，而电极材料是锂离子电池性能提高的决定性因素。目前最常用的负极材料为石墨类负极材料，但其墨理论容量（372 mAh g^-1）偏低、倍率性能较差等因素，限制了锂离子电池电化学性能的提高。值得一提的是，石墨电极的层间距较小，将无法实现锂离子的快速有效插入与脱嵌。因此设计和制备高性能锂离子电池碳负极材料是满足电池发展的关键因素。研究表明，实现对碳材料比表面积、孔结构、石墨化程度、元素掺杂与修饰等方面的多功能组合与调控是提高了锂离子电池的比容量、循环性能和倍率性能的有效途径。

为了进一步提高多孔碳材料的性能，通过浸渍-活化法能够制备出含有大量层次孔结构、异质元素掺杂的多孔材料，非常适合于超级电容器和锂离子电池用电极材料。近年来，由于全球气候变化、水体富营养化等原因，造成海洋大型海藻浒苔绿潮暴发。大量浒苔漂浮聚集到岸边，阻塞航道，同时破坏海洋生态系统，严重威胁沿海渔业、旅游业发展。本发明采用浒苔作为原材料制备新型碳材料，能实现浒苔的资源化，将为它的污染防治开辟蹊径。制备得到的碳材料具有三维开放结构、层次孔孔道、大比表面积以及丰富的氮氧官能团，因此有利于提高材料的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是为了得到三维开放结构、高比表面积、同时具有高容量和优异倍率性能的氮氧双掺杂浒苔基碳材料，提供一种浸渍-活化法制备氮氧双掺杂多孔碳材料的方法。该氮氧双掺杂碳材料采用价廉的浒苔作为原材料，具有比表面积高、孔径分布可调、高的元素掺杂量等特点，其作为作为超级电容器、锂离子电池电极材料具有良好的电化学性能，且整个制备工艺简单可控、条件温和，成本相对低廉。