[发明专利]三聚氰胺蒸汽路线合成富氮有序介孔碳材料

说明书

三聚氰胺蒸汽路线合成富氮有序介孔碳材料，本发明涉及一种通过三聚氰胺蒸汽路线合成富氮掺杂的有序介孔碳材料的制备方法。它解决了现有含氮介孔碳材料中的氮掺杂量和有序度下降以及比电容较低的问题。制备方法：一、以多元共组装的策略自组装得到F127‑PF‑SiO₂纳米复合物；二、将该复合物在三聚氰胺蒸汽中热解得到氮掺杂二氧化硅支撑介孔碳材料；三、用氢氟酸去除二氧化硅得到富氮介孔碳材料(NOMC)。本发明得到的富氮有序介孔碳材料NOMC具有高的氮含量(10.10%)，大的比表面积(1206 m²/g)，合适的孔径(5.3 nm)以及均一的介孔结构。这些优点导致该电极材料在6 M KOH电解液中的比电容达到218 F/g(电流密度为1 A/g)，并且具有优异的循环稳定性(1000个循环后保持93%)。

技术领域

本发明涉及一种通过三聚氰胺蒸汽路线合成富氮掺杂的有序介孔碳材料的制备方法。

背景技术

超级电容器(Supercapacitors)，又称作电化学电容器(electrochemicalcapacitors)是最近几十年才发展起来的一种性能介于电池与传统电容器之间的新型能量存储与转换装置。超级电容器作为一种新型的的能量存储与转换装置，兼具电池与传统电容器的特点。然而在储能机理和电极材料方面与传统电容器，二次电池和锂电池有着明显的差别。经对比可以发现，其具有如下特点：

(1) 功率密度高，约为1～10 KW/Kg，是电池的几十倍。

(2) 电容存储量大，约为0.1～6000 F，是同体积传统电容器电容量得两千多倍。

(3) 充放电速度快。若使用大电流充电，超级电容器可以在几十秒内完成充电过程；若使用小电流充电，也可以在几分钟内完成，这比电池快几个小时的充电时间。此外，其还能够在几十秒内持续输出上千安培的电流，这使他们十分适合短时高功率需求的情况。

(4) 循环寿命长。多孔碳基超电材料具有良好的电化学可逆性，因此其理论循环寿命为无穷，实际能够达到十万次，比电池高出百倍。

(5) 耐温特性强。超级电容器能够在较宽的温度区间(-40～70℃)内工作，而电池只为-20～60℃。

(6) 机理简单，电极材料主要为多孔碳，对环境无污染且安全性好，是一种新型的清洁能量存储装置。

多孔碳材料(Porous carbons简称PCs)是20世纪发展起来的新型多用途材料，因具有高比表面积、高孔隙率、大吸附容量和良好的导电性而成为目前备受关注的碳基材料。与其它多孔碳材料相比，有序介孔碳(OMC)材料具有合适的孔径、较大的比表面积、以及较高的水热稳定性，因此其在催化、能量存储等邻域拥有巨大的应用潜力。许多研究已经证明：多孔碳的孔径分布在电化学性能中起着重要作用。有序介孔碳因具有均一和合适的孔径(2～50 nm)以及可以缩短电子传输路径的有序通道，因此具备优异的电化学性能，被认为是非常有前景的超电材料。1999 年，Ryoo 等首次利用MCN-48 作为硬模板合成了有序介孔碳材料。2006年，复旦大学Zhao等以嵌段共聚物 F127 为模板， TEOS为无机前体，低分子量(﹤500) 的酚醛树脂为碳源，通过三元共组装的方法制备了高度有序的介孔碳材料。从其SEM图像中可以看出该材料具有高度的2D有序介孔结构，表征结果显示其比表面积高达2470 m²/g，孔径大约6.7 nm，孔容约为2.0 cm³/g。自此之后，介孔碳材料的合成走向成熟，目前主要的合成方法有：硬模板法和软模板法。许多研究已经证明，2D六边形有序介孔结构比孤立的3D立方和无序的蠕虫状孔结构更有利于电解质的传输。然而，由于单纯有序介孔碳具有较高的化学反应惰性和较差的表面润湿性等缺点，在作为超级电容器的电极材料时只有很少的活性位点可用于电荷存储，导致电化学电容性能不理想,这严重制约了它的实际应用。故而，对有序介孔碳材料进行物理化学改性成为有序介孔碳研究领域的热点内容。