[发明专利]一种源于聚苯胺‑海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米碳材料技术领域，具体涉及一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳及其制备方法。

背景技术

超级电容器是近十年来备受关注的新型电化学能源存储设备，已在电动汽车，移动电子产品和不间断能量供应领域里获得广泛应用。基于碳材料的双电层超级电容器是目前商品化超级电容器的主流。然而，提高碳材料的能量密度仍然是目前的一大挑战。

对碳材料进行杂原子掺杂，从而引入电化学活性位点(赝电容)，是目前比较公认的可以大幅提高其能量密度的有效途径。比如，利用含氮的活性试剂(如氮水、尿素等)，对碳材料进行后处理，可以获得氮掺杂碳材料，其比容、导电性、循环寿命均有了大幅的提高。但是，这种方法的缺点是氮的含量相对较低，同时制备工艺也比较繁锁。此外，研究表明，多杂原子共掺杂可能会形成某种协同效应，进一步提升碳材料的性能，如N,O共掺杂等。因此，多杂原子共掺杂碳也具有非常大的研究价值，正逐渐受到人们的关注。

除了杂原子掺杂，对碳材料进行结构设计，构筑具有分级多孔的纳米结构也是提高其能量密度非常有效的途径。目前模板法和活化法是构筑分级多孔碳的最常用方法，但是也面临较为严峻的挑战：(1)对模板法而言，想要获得定制的分级多孔纳米结构的模板，具有很大的困难。此外，还需要面临着一个繁琐且耗时间的去模板过程。(2)对活化法而言，虽然，采用高浓度KOH或NaOH对碳材料进行活化无需模板，但从简单、经济和“绿色”的角度出发，更多高效的新方法还亟待开发。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳的制备方法，包括如下步骤：

(1)将海藻酸钠完全溶解于去离子水中，加入苯胺，搅拌使其溶解均匀；将混合溶液放在冰水浴中预冷后，加入氧化剂并快速搅拌均匀，然后置于室温下进行静置反应，反应结束后即得到聚苯胺-海藻酸钠水凝胶；

(2)将聚苯胺-海藻酸钠水凝胶置于大量的去离子水中净化平衡，随后冷冻干燥后，再置于管式炉中，在保护气氛下升温至600～900℃碳化后，放入到酸性水溶液中浸泡，再用去离子水洗至中性，最后经冷冻干燥后即得到N,O共掺杂分级多孔碳。

上述方案中，所述混合溶液中，海藻酸钠的质量浓度为0.1～5wt％，苯胺的物质的量浓度为0.02～2mol/L。

上述方案中，所述氧化剂为过硫酸铵、氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、高锰酸钾和双氧水中的一种或几种。

上述方案中，所述氧化剂与苯胺的摩尔比为0.5～2。

上述方案中，步骤(1)所述静置反应的反应时间为12h～24h。

上述方案中，步骤(2)所述升温至600～900℃的升温速率为0.2～10℃/min。

上述方案中，步骤(2)所述碳化的时间为2h～5h。

上述方案中，步骤(2)所述保护气氛为氩气、氮气和氨气中的一种或多种。

上述方案中，步骤(2)所述酸性水溶液的浓度为0.1～5mol/L。

上述方案中，步骤(2)所述酸性水溶液为盐酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、醋酸水溶液、或磷酸水溶液。

上述制备方法制备得到的源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳。

本发明的有益效果如下：(1)苯胺和海藻酸钠分别是富含N和O的物质，产量大，价格低廉，并且可以通过改变物料的配比调控分级多孔碳中N,O的掺杂量，因此，本发明所述制备方法不仅工艺简单易操作，而且是一种可控的N,O掺杂技术。(2)本发明制备方法可以制备得到具有较高的N,O掺杂量和理想分级多孔结构的多孔碳，所述N,O共掺杂分级多孔碳在高性能超级电容器电极材料领域具有良好的应用前景。

附图说明：

图1为本发明所述源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳的扫描电镜图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的N,O共掺杂分级多孔碳，通过如下方法制备得到：