[发明专利]一种基于原位聚合的富氮掺杂多级孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于原位聚合的富氮掺杂多级孔碳材料及其制备方法与应用，按如下方法制备得到：将咪唑衍生物和六氯丁二烯混合，超声1h，在温度为180～220℃的条件下密闭反应4h～12h，之后泄压为常压，烘干，得到固体物质；在惰性气体的保护下，将所得固体物质于700～900℃进行高温处理，即得成品；本发明所提供的基于原位聚合的富氮掺杂多级孔碳材料，具有优异的电化学性能，可用来制备电容器电极尤其是超级电容器电极，从而可用于电容器尤其是超级电容器中，在储能领域具有极大的应用潜力和工业价值。

技术领域

本发明提供了一种可用于超级电容器的原位聚合的富氮掺杂多级孔碳材料及其制备方法和用途，属于无机功能材料领域。

背景技术

超级电容器是一类功率型储能设备，具有快速充放电的能力，用作混合动力电动汽车动力设备具有广阔的应用前景。电容器的性能与电极材料的特性有着密切联系。通常情况下，电极材料需要比表面积高、孔径分布适宜、导电性优异、物理化学稳定性高、耐腐蚀性高以及价廉易得等特性。

碳材料因比表面积大、质量轻、稳定性高而被广泛应用。但碳材料作为电极材料还存在能量密度低，因此需要对碳材料进行进一步的改性。如在碳材料表面掺杂其他元素(氮、氧、磷、硫)等，能有效提高超级电容器的能量密度。目前，掺杂氮元素改进材料特性进而提高其电容性能成为关注热点。

掺氮碳材料应用于超级电容器主要以两种方式进行储能。一种是以双电层电容的形式进行储能，另一种是以赝电容的形式进行储能。其中，双电层电容产生于电荷在电极材料与电解液界面处的积累，而赝电容是利用电极中活性物质在电解液中进行快速可逆氧化还原反应产生电荷。掺氮碳材料中氮材料所处环境不同，会引起不同电化学性能。研究表明，吡咯氮及吡啶氮可以有效的贡献法拉第赝电容，这两种含氮官能团可以一定程度上提高材料的亲水性，从而使得电解液在电极材料上紧密接触。石墨化氮通常位于碳网的中心，可以有效的提高材料的导电性，在碳材料中可以快速进行电子转移，进而减少材料的电荷转移电阻，获得较优越的电容稳定性和较高的倍率性能。氮掺杂碳材料由于赝电容的引入使电极材料获得较大的电容值，同时电容性能有了很大的提高，将掺氮碳材料用于电极材料将有很好应用前景。

作为合成氮掺杂多级孔碳材料的现有技术，例如可列举如下：

CN101450799公开了一种制备掺氮碳纳米管的石墨电弧放电方法、掺氮碳纳米管以及使用其的碳纳米管原件。在该制备掺氮碳纳米管的电弧放电方法中，使用包括石墨、催化剂和作为氮源的含氮有机物的混合物制备阳极，并且使用该阳极和阴极进行电弧放电以制备该掺氮碳纳米管。但此方法需要较高的设备要求，难以工业化。

CN104934237A公开了一种掺氮多孔炭/石墨烯二维复合电极材料的制备方法，其步骤如下：(1)将氧化石墨烯超声分散于溶剂中得到悬浮液，加入有机单体，机械搅拌混匀后，加入引发剂引发聚合反应，反应完成后经抽滤、洗涤、干燥得到聚合物/氧化石墨烯二维复合材料；(2)将步骤(1)得到的产物与氢氧化钾按比例通过干法混合后置于管式炉中，在氮气保护下进行高温活化，活化产物经酸洗涤、去离子水洗涤、干燥后得到目标产物。该发明制得的复合材料为二维结构，并且材料电导率好，但是反应过程复杂、需要氢氧化钾活化，后处理困难等。

CN106887340A公开了一种基于胞嘧啶的掺氮多孔碳材料，由胞嘧啶、间苯二酚和甲醛，通过水热法合成含氮酚醛树脂，然后冷冻干燥，再与碱均匀混合经活化处理后，进行洗涤，干燥而得，其比表面积范围在1700～2900m²g^-1，作为电容器电极材料其比电容为297～392F/g。此方法虽然获得的高比表面积的材料，但是氮掺杂的含量较低，其能量密度不高。

如上所述，现有技术中公开了多种利用技术制备氮掺杂新型材料的方法，并由此得到了多种具有优异电学性质的新型材料，但这些氮掺杂新型材料虽然具有较优的比电容、稳定性，但在性能上仍存在大电流充放电差、能量密度较低等缺陷，同时在工艺上，反应过程复杂、对设备的要求高、这严重限制了其实际的应用和工业化生产。