[发明专利]一种氮氧原位掺杂的多孔炭电极材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体而言，涉及一种氮氧原位共掺杂多孔炭材料的制备方法及用作超级电容器电极材料的应用。

背景技术

能源作为新世纪人类赖以生存和发展最基本的动力支持。但是，随着化石燃料的枯竭和环境污染的加剧，先进的能量转化和储存技术是当今世界亟需解决几大难题之一，如何在未来发展一个绿色可持续的新能源是目前全世界面对的共同问题。随着更多的新能源诸如太阳能、风能、潮汐能、生物质能等的发现和利用，人们需要一种能量储存设备存储并且转换这些能源。在众多能量存储器件中，电池和超级电容器是两种最常用也是最具有广泛使用价值的选择。电池具有较大的能量密度，可以满足大多数电子器件的应用需求，然而，化学电池是通过电产生法拉第电荷转移来储存电荷的，发生化学反应导致其充放电效率不理想，使用寿命不长，并且受温度影响较大。超级电容器，又称电化学电容器，超级电容器具备了传统电容器和化学电源的优点，如高的能量密度、高的功率密度、长的循环寿命和对环境友好等特性，使之在大功率能源转换、便携电子器件、微电流供电设备上有了很好的应用。

活性炭由于其高的比表面积和相对低的成本是电化学电容器使用最为广泛的电极活性物质材料。但是，活性炭材料存在着比表面利用率不高的问题，严重影响了其在超级电容器能量密度的表现。目前，以生物质为碳化原料制备各种结构优异的，高比表面的，同时引入一定量的杂原子的多孔炭材料成为一种理想的超级电容器的电极材料。电极材料是电化学电容器的重要组成部分，理想的电极材料设计原则：具有发达的比表面积、合理的多级孔结构及孔径分布、良好的导电性及浸润性，对于多孔碳电极材料而言，孔的大小、形状、分布、表面性质以及材料的导电性都大大地影响着电容器的性能。因此，电极材料是决定电化学电容器特性的重要因素，电化学电容器的电极材料主要有两大类：一类是双电层电极材料，一类是赝电容电极材料。因此，研究发明高能量密度超级电容器用氮氧原位共掺杂的多孔炭材料具有非常重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种导电性优异、化学稳定性好、三维立体、孔道丰富的氮氧原位共掺杂的多孔炭电极材料，采用动物骨头，如牛骨、猪骨、羊骨，作为炭前驱体，骨头中的有机成分胶原蛋白作为碳氮源，无机成分作为天然模板，在碳化过程中作为支撑材料以及控制羟基磷灰石晶体变化和大小调控孔道结构制得。所述的多孔炭电极材料孔结构丰富发达，含有微孔、介孔、大孔，比表面1000~3000 m² g^-1，其中大孔作为大空间储存超级电容器的电解液，介孔缩短电解液的传质路径，而微孔富含活性位点，促进提升电荷容量，同时原位掺杂了氮元素和氧元素，氮的含量0~8%，氧的含量5%~20%。

动物骨头如牛骨中无机成分羟基磷灰石等以纳米尺度有序分散在胶原蛋白为主的有机物中，具有精美有序的分级层状纳米结构和组成排序，从而作为天然的无机模板，在碳化过程中作为支撑材料以及控制羟基磷灰石晶体变化和大小调控孔道结构；其中胶原蛋白作为碳源的特征为含碳量高，且富含羟基、羧基、氨基等基团，可通过调控碳化过程实现氮氧的原位掺杂；在牛骨碳化过程中，采用高温活化碳化方法，通过控制活化剂与碳化产物的比例，调控多孔炭的孔结构，有利于三维分级孔结构的形成，提高比表面积。通过三电极体系、二电极体系在不同电解液里进行电化学测试表征，所制备的杂原子掺杂的多孔炭材料具有高的比电容，可逆的充放电，优异的库伦效率以及充放电循环稳定性能。进行二电极对称电容器的组装，在中性电解液中得到高的能量密度和功率密度，上万次的循环充放电超级电容器电容衰减率非常低。

本发明提供上述氮氧原位共掺杂的多孔炭电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将清洁洗净的动物骨头碎成骨粉后，在惰性气体保护下于300~500^oC下进行碳化，得到预碳化产物；

（2）将上述预碳化产物与活化剂研磨混合均匀后，在惰性气体保护下于600~1200^oC下再次碳化得到碳化产物，其中预碳化产物与活化剂的比例为1:0.2~1:3；

（3）将上述冷却后的碳化产物进行酸洗、水洗、抽滤干燥后，得到杂原子掺杂的多孔炭。

在本发明的一个优选实施方式中，动物骨头选自牛骨、猪骨、羊骨中的一种或几种，更优选为牛骨。