[发明专利]一种生物质基含氮多孔碳的制备方法及多孔碳及其用途

说明书

本发明公开了一种生物质基含氮多孔碳的制备方法及由该方法制备的多孔碳，以及所制备的含氮多孔碳在超级电容器中的用途。所述制备方法包括步骤：1)将生物质材料干燥，研磨成细粉；2)将生物质材料粉末与水或稀酸溶液混合均匀；3)将混合物在反应釜中进行水热反应；4)将得到的水热反应产物干燥、研磨，然后在管式炉中进行煅烧，得到大比表面积的氮掺杂多孔碳材料。根据本发明的方法使用廉价、可再生的植物为碳和氮前体通过水热法来制备多孔氮掺杂碳材料。该方法制备工艺简单，无需任何活化剂或者模板剂，成本低廉、环境友好，操作简便，避免腐蚀性强、过渡金属价格高、重金属带来环境污染等问题，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于无机纳米材料领域，具体涉及一种用于超级电容器的基于生物质原料的氮掺杂多孔碳材料。

背景技术

超级电容器是一种绿色环保储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长和工作温度范围宽等优点，在交通运输、电子产品和风电储存等领域具有重要的应用价值。目前,限制超级电容器应用的关键问题是超级电容器的能量密度偏低，商业化的超级电容器储能密度仅为5～10Wh/kg，远低于锂离子电池的120～170Wh/kg。根据超级电容器能量密度公式可知，通过提高比电容(C)和电压窗口(V)可以提高超级电容器能量密度，而比电容则主要取决于电极材料的性能。因此，提高超级电容器综合性能的关键在于寻找高性能的电极材料。

多孔碳材料由于比表面积高、化学性能稳定、循环寿命长，且原料来源广泛、价格低廉是超级电容器领域应用最广的电极材料。碳材料的形貌特征、表面化学和微结构(如比表面积、孔径分布、孔隙和晶体缺陷)对其电化学性能有巨大的影响。以活性炭为代表的碳材料含有大量的微孔，难以形成双电层，表面利用率不高从而影响功率密度。以碳纳米管为代表的新型碳材料具有优异的倍率性能，但其比表面积一般仅为100～400m²/g，因此电容量较低且制造成本昂贵。介孔碳材料也存在着比表面积不高、制备工艺复杂等问题，难以工业化生产。总体来说，普通的碳材料在无机电解液中的电容值通常在150～300F/g左右[Nature Mater.2008,7,845]，其能量密度还无法满足其实际应用的需求。而如何优化碳材料的各种结构参数，获得优异的电化学性能，成为用于超级电容器的多孔碳研究的难点和热点。

除了优化结构参数，在多孔碳材料中引入杂原子是提高碳材料的比电容的一个有效途径。由于杂原子掺杂可改变碳材料的石墨层的电子给予/接受性能，在充放电过程中可发生法拉第反应，从而产生准电容。此外，表面杂原子形成的官能团还能改善碳材料的亲水性，便于电解液离子的浸润，从而也有利于提高电容量。有研究表明[Electrochem.Commun.2008,10,795]，碳材料中掺杂氮原子能产生显著的准电容，使多孔碳的质量比电容大幅提高，且其结构稳定性好，因此大比表面积的多孔氮掺杂碳材料有望成为一种很有前景的高功率超级电容器的理想电极材料。近年来，由于生物质材料分布广泛、具有天然的微孔、介孔和大孔结构以及富含各种元素等特点，以生物质为原料制备的新型碳材料在超级电容器的应用方面引起了广泛的关注。而常用的制备方法主要以化学活化法为主，存在着合成工艺繁杂，成本昂贵，需用大量的强酸、强碱等化学试剂等问题。因此，以廉价的可再生的生物质为原料，开发一种低成本、环境友好的多孔生物质基氮掺杂碳材料具有重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明的一个目的在于提供一种简单易行、绿色环保、成本低廉的基于生物质基含氮多孔碳的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)将生物质材料干燥，研磨成细粉；

2)将一定量的生物质材料粉末加入适量水中或低浓度的稀酸溶液中混合均匀，生物质与水或稀酸溶液的质量比为1:3至1:30，优选1:5至1:20；

3)将步骤2)中得到的混合物转移到反应釜中，在水热反应条件下加热到100～300℃，优选150～250℃，保温1～72小时，选择3～48小时，冷却，洗涤得到褐色固体；