[发明专利]氮氧共掺杂中空碳纳米微球及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮氧共掺杂中空碳纳米微球及其制备方法和超级电容器电极、超级电容器。所述氮氧共掺杂中空碳纳米微球制备方法包括的步骤有：将吡咯和苯胺在含有软模板的水溶液中进行聚合反应，得到中空碳纳米微球前驱体；将所述中空碳纳米微球前驱体进行洗涤，粉化处理，再经炭化处理和氨水活化处理，得到氮氧共掺杂中空碳纳米微球。本发明制备方法制备的氮氧共掺杂中空碳纳米微球具有较大比表面积，良好的润湿性，高的比表面积利用率。所述超级电容器电极、超级电容器含有本发明方法制备的氮氧共掺杂中空碳纳米微球。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种氮氧共掺杂中空碳纳米微球及其制备方法和应用。

背景技术

当前，地球面临巨大的能源挑战，连续的石油危机和环境问题迫使各国开始寻找新的清洁的可再生能源。要解决这些问题，能量储存和管理装置起着关键的作用。近年来，超级电容器起引起了人们极大的关注。作为一种新型储能装置，它具有快速充放电、功率密度高、无污染以及优异的循环稳定性使其在通讯设备，交通运输、航空航天等领域有着广阔的应用前景。

碳材料被认为是最适用于工业化超级电容器的理想材料。碳基电化学电容器属于典型的双电层电容器。目前，活性炭、碳纤维、碳纳米管以及石墨烯等多种碳材料被广泛用作超级电容器研究。活性炭是研究的最多的材料，因为其易制备、比表面积高，但是其孔径比较单一，因而比表面积利用率十分有限；碳纤维具有优异的导电性且可以不使用粘结剂，但是其表观密度较低，体积比电容不高，且价格昂贵；碳纳米管孔径大小易控制，但比表面积不高，且成本一般较高；石墨烯是近些年来被认为很有应用前景的一种材料，它具有良好的导电性，较大的比表面积和可控的孔径大小，但是石墨烯非常容易团聚，使其性能大打折扣。而中空碳纳米微球，不仅具有中空粒子的低密度、表面渗透性好、总孔容大等优点，还具有碳纳米材料的比表面积大、稳定性高、多孔性等特性，因此在储能领域受到广泛的关注。

传统的制备中空碳纳米微球的方法是：先制备SiO₂等球形模板，然后在模板上包裹上碳材料的前驱体，前驱体碳化后再用HF酸等强腐蚀性化学品将模板腐蚀后才能得到少量的中空碳纳米微球，而且形貌不规则。传统的硬模板法制备中空碳纳米微球过程繁琐，耗时久，产量低，并且还要用到高危险性的化学品，在公开的另一种制备中空碳球的方法中，采用含有危险化学品如硫酸并采用高温制备中空碳球，因此，该方法安全性差，而且所制备的中空碳球的尺寸为微米级。而且按照现有方法制备的中空碳纳米微球润湿性差，表面积利用率和电化学性能不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种氮氧共掺杂中空碳纳米微球及其制备方法，以解决现有中空碳纳米微球制备方法存在的过程繁琐、耗时久、产量低、安全性差，而且制备的中空碳纳米微球润湿性差，表面积利用率和电化学性能不理想技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种超级电容器电极和超级电容器，以解决现有超级电容器由于其电极材料的原因导致比电容、倍率性能低，循环稳定性不理想的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种氮氧共掺杂中空碳纳米微球的制备方法。所述氮氧共掺杂中空碳纳米微球制备方法包括以下步骤：

将吡咯和苯胺在含有软模板的水溶液中进行聚合反应，得到中空碳纳米微球前驱体；

将所述中空碳纳米微球前驱体进行洗涤，粉化处理，再经炭化处理和氨水活化处理，得到氮氧共掺杂中空碳纳米微球。

本发明的另一方面，提供了一种氮氧共掺杂中空碳纳米微球。所述氮氧共掺杂中空碳纳米微球为由本发明氮氧共掺杂中空碳纳米微球制备方法制备获得。

本发明的再一方面，提供了一种超级电容器电极。所述超级电容器电极包括集流体和结合在所述集流体上的电极材料层，所述电极材料层包括电极材料、导电剂和粘结剂，其中，所述电极材料为本发明氮氧共掺杂中空碳纳米微球。