[发明专利]一种三维球状氮掺杂多孔碳材料与镍/氧化镍复合材料的制备方法与用途

说明书

本发明涉及一种三维球状氮掺杂多孔碳材料与镍/氧化镍复合材料及制备方法与用途，所述方法包括如下步骤：S1：将吡啶、六氯丁二烯和镍源在高于大气压的反应压力下进行密闭反应；S2：反应结束后，泄压至常压，干燥后，得到样品；S3：取样品与尿素溶液在高于大气压的反应压力下进行密闭反应；S4：反应结束后，泄压至常压，离心干燥后，得到样品；S4：将所述样品在惰性气体保护下进行高温处理，从而得到所述三维球状氮掺杂多孔碳材料与镍/氧化镍复合材料及制备方法。所述三维球状氮掺杂碳材料具有优异的电化学性能，从而可应用于化学储能领域，尤其是超级电容器领域，具有良好的工业化的价值。

技术领域

本发明提供了一种可用于超级电容器的三维球状氮掺杂多孔碳材料与镍/氧化镍复合材料的制备方法与用途，属于无机功能材料领域，属于无机复合材料领域。

背景技术

随着社会不断发展，能源问题日益显著，人类越来越倾向于对于清洁能源和可再生资源的开发与利用。人们对能源的需求和要求日益增长，能源供应的短缺与人们日益增长的能源需求之间存在着严重矛盾。

超级电容器是一种新型的储能装置，具有功率密度高、充电时间短、循环寿命长、绿色环保等优点，可应用在储能装置、动力电源系统以及诸多电子设备上。超级电容器的性能与其所用的电极材料密切相关，具有高的比表面积和多孔结构、良好的导电性、高的循环稳定性的碳基材料是理想的电极材料，但其比电容较低；科学家通过对碳材料进行杂原子掺杂(氮、磷、硼、硫等)，可提高电极材料的大电流充放电能力及获得赝电容，但还达不到理想的高比电容。而过渡金属氧化物如镍基氧化物，具有高的比电容，但存在导电性差，内阻大，其功率密度和大功率充放电性能差，此外镍基氧化物在充放电过程中易脱落，导致循环稳定性较差。为此，将上述两种电极材料进行复合不仅可以弥补单一材料的缺点，同时还可以实现材料性能的优势互补，获得兼具高容量、长寿命与高倍率性能的超级电容电极材料。

目前，碳材料如碳纳米管、石墨烯等与镍基氧化物进行复合已经了广泛的研究，例如：

Wen等人通过在碳纳米管基底上电化学沉积氢氧化镍，然后经退火处理得到氧化镍/碳纳米管复合电极材料，由于氧化镍的存在，电极的比电容得到了提高，表明氧化镍可以有效地对碳纳米管进行优化。与此同时，碳纳米管的网络结构可以改善氧化物差的电导性，从而改进电极的速率性能。但其稳定性差。

CN201110416687.3公开了一种氧化镍/石墨烯复合电极材料及制备方法和应用，该方法包括以下步骤：首先以镍盐为前驱体制备纳米氧化镍，之后将纳米氧化镍、氧化石墨烯、水合肼进行反应获得氧化镍/还原石墨烯复合材料，该材料在具有高的比电容，但其在循环1000次后，电容值降26.1％。

CN201410353299.9公开了一种采用静电纺丝制备碳纳米管复合材料的技术，该方法首先以制备包含PAN、PVP以及醋酸镍的纺丝前驱体溶液，将纺丝前驱体溶液通过纺丝工艺制备获得PAN/PVP/醋酸镍复合纳米纤维，再将PAN/PVP/醋酸镍复合纳米纤维放入反应炉中，并在反应炉中放入PVP、PVA或PEO，进行热处理，得到碳纳米管/镍/碳纤维复合碳材料。该方法获得了高能量密度的电极材料，但工艺过程繁琐，宏量合成困难。

如上所述，虽然现有技术中公开了多种碳材料(如碳纳米管和石墨烯)与镍/氧化镍复合的方法，但这些现有技术中均存在一定的缺点，例如成本高、合成方法过于复杂、并且在电学性能上，仍存在大电流充电放电差、循环稳定性低等缺陷，这严重限制了其商业化的应用。

因此，如何设计出一种简单、经济可宏量合成的方法来制备氮掺杂碳片与镍基氧化物的复合材料，从而发挥两者之间的协同效应，改变复合材料能量密度、提升材料的电化学性能，并将其应用到超级电容器当中，具有十分重要的研究意义，这也正是本发明得以完成的基础和动力所在。

发明内容