[发明专利]一种锶掺杂含氮多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锶掺杂含氮多孔碳材料，由葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂，经水热反应和处理后，加入碱性无机物溶液煅烧活化和处理后制得，其比表面积范围在2000~2485 m² g^‑1，平均孔径分布在1.178‑1.232 nm，且微孔含量超过92%。制备步骤包括：1）含锶前驱体的制备；2）含锶前驱体的活化；3）含锶前驱体的后处理。本发明材料作为超级电容器电极材料，在电流密度为0.5 A g^‑1时，比电容值范围在319~424 F g^‑1，具有良好的循环稳定性。本发明中锶的掺杂量大幅减少，同时提高了材料的比表面积，调控了孔径分布，有利于电子传输和电解液输运，并且提供赝电容；制备工艺简单，有利于实现批量生产，在超级电容器、燃料电池等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及碳多孔材料技术领域，具体涉及锶掺杂含氮多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器具备成本低廉、材料丰富、充放电寿命长及安全性能高等特点。超级电容器分为双电层电容器和赝电容。双电层电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，是可逆过程，并没有发生电化学反应，因此性能稳定且循环寿命长。膺电容的最大充放电性能由电化学活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制，可在短时间内进行电荷转移，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。混合型电容器介于两者之间。

随着纳米材料研究和应用的快速发展，碳作为多功能材料因为具有来源丰富、环境友好、价格低廉等优点受到了人们的广泛关注。多孔碳材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，因具有分子尺寸的均匀孔道结构，连续的孔道体系和大的比表面积等特性，在吸附、离子交换，特别是在催化等领域有广泛的应用。为了进一步改进电化学性能，氮掺杂多孔碳材料有丰富的多孔结构和较高的比表面积，吡啶氮含有活性位点，有利于杂原子负载。在氮掺杂多孔碳材料中引入S、P、B等非金属原子可以显著地改善其机械、导电和电化学性能。

混合型电化学超级电容器是近年来被关注的储能元件，介于双电层电容器和赝电容电容器之间。它比常规电容器能量密度大，而且可快速充放电，使用寿命长，是一种高效、实用的能量存储装置，因而有着广泛的应用前景。而Mo、Co、V、Sr等金属提供赝电容，提高比电容，有利于能量的储存。锶是第二主族碱土金属，主要是5d轨道未充满，提供电子，有活性位点。本发明以硝酸锶等无机盐为锶源制备锶掺杂含氮多孔碳材料，用于混合型电容器电极材料，金属锶/氮掺杂多孔碳材料提供部分赝电容，提高比容量。硝酸锶的添加量为0.5%-1%（质量百分比），之前报道的其他金属添加量大概为7.5%（质量百分比）。本发明中锶添加量比之前报道的其他金属添加量少15倍左右，降低了成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种锶掺杂含氮多孔碳材料及其制备方法，并用作混合型电容器电极材料。通过对多孔碳材料进行改性，调控孔径分布，同时解决目前的比电容低、电极材料制备过程繁琐、成本高等问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是利用葡萄糖为碳源，氨基脲为氮源，硼氢化钠为还原剂，硝酸锶等无机盐为锶源，其合成过程是采用水热反应合成含锶前驱体，用碱性无机物KOH等为活化剂，高温热解方法制备出锶掺杂含氮多孔碳材料。作为混合型电容器电极材料，多孔碳提供大的比表面积，金属有助于电子的快速转移，其比容量显著提高，改善了混合型电容器的性能。

实现本发明目的的具体技术方案是：

锶掺杂含氮多孔碳材料，由葡萄糖、氨基脲、含锶无机盐和还原剂，按一定的质量比混合溶解、水热反应、过滤、洗涤、干燥得含锶前驱体，然后以一定质量比加入到碱性无机物溶液浸泡后煅烧活化，之后经研磨、洗涤、干燥制得，其比表面积其范围在2000~2485 m²g^-1，平均孔径分布在1.178-1.232 nm微孔范围内，且微孔含量超过92%。

锶掺杂含氮多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：