[发明专利]海蜇基高表面掺杂碳电极的制备及其双电层和赝电容行为调控

说明书

本发明提供了一种用于超级电容器电极的海蜇基高表面掺杂碳材料的制备手段及其双电层和赝电容行为调控方法，属于新能源材料领域。该海蜇基高表面掺杂碳材料利用碳化‑活化法制备得到。首先将洗净干燥的海蜇置于管式炉中加热碳化，酸洗干燥后得到碳材料，将该碳材料与一定质量比的KOH、K₂CO₃、KHCO₃、NaOH、Na₂CO₃、NaHCO₃等活化剂在研钵中充分研磨后，放入管式炉中加热活化，酸洗干燥后得到海蜇基高表面掺杂碳材料。该方法制备的碳材料具有三维分层多孔结构、高比表面积、杂原子掺杂量丰富可调等特点，能通过调整制备条件对其微观结构、杂原子含量等进行调控，从而用作超级电容器电极材料时可实现对其双电层行为和赝电容行为的有效调控，实现了对超电容性能的有效增强。

技术领域

本发明属于新能源材料领域，提供了制备高比表面海蜇基氮氧掺杂碳材料的方法及其在超级电容器方面的应用，实现了其双电层和赝电容行为的调控。

背景技术

随着人口的增长和环境污染的严重，人们对高效、清洁、可再生能源的需求量逐年增加。超级电容器以其环境友好、成本低、功率密度高、安全性好等优点，在电力起重、电子设备、电动汽车等领域得到了广泛的应用。然而，与锂离子电池相比，超级电容器具有相对较低的能量密度，这将限制其实用性。此外，越来越多的场合需求在保证高功率密度的前提下，还具备高能量密度、可快速充放电的超级电容器，这对超级电容器电极材料的设计和制备提出了巨大的挑战。

作为超级电容器电极的碳材料虽然具有丰富的来源、可调的结构，适中的成本，但是只能提供300 F g^-1以下的比容量和较差的倍率性能，这是由于碳材料中孔道的扭曲，高的离子扩散阻力，低的电导率。到目前为止，有两种典型的改善碳材料比容量的策略。一是碳材料多孔结构的设计，这可以减少离子扩散阻力和获得高表面积；二是杂原子的掺杂（如氮，氧，硫等），这可以使碳材料具有良好的润湿性和赝电容。对于碳材料多孔结构的设计，通常的方法是化学活化和物理活化。化学活化是指把混合好的碳材料和活化剂（如KOH等）在惰性气氛中加热，经过一系列的反应，最后形成分层多孔结构的碳材料。相反，物理活化是指在高温下，碳与氧化性气体（如空气、二氧化碳、水）之间反应形成多孔结构。与物理活化相比，化学活化需要更短的反应时间，较低的加热温度和能耗。杂原子掺杂主要有两个策略。第一个是从外界引入杂原子，这可以通过煅烧富含杂原子的化合物或气体与碳材料的混合物实现。例如，加热碳材料和尿素的混合物可以获得氮元素掺杂。然而，以这种方式引入杂原子可能导致孔隙结构的破坏和低的杂原子掺杂量。这是由于杂原子主要是附着在碳材料表面而不是嵌入碳材料内部，相应的表面杂原子官能团可能在电化学测试过程分解，导致比容量下降和循环稳定性变差。与第一个策略相比，杂原子自掺杂（含有丰富杂原子的前驱体在惰性气氛中碳化，过程中不添加任何杂原子添加剂），操作方便，省时省力。由于杂原子是从前驱体的继承，经过热处理后，可在碳基体表面和内部均匀分布。这可以使得到的杂原子的官能团更稳定，进一步实现高的比容量和良好的循环稳定性。

为了增强碳材料的性能，选用富含氮氧元素的前驱体，通过碳化-活化法可以制备出具有高比表面积、丰富杂原子掺杂的多孔材料，非常适合用作超级电容器的电极材料。该材料中含有的丰富的微孔、介孔结构非常有利于电荷的积累和离子的输运，同时材料中含有的丰富的含氮、含氧官能团则有利于提供赝电容，实现超电容性能的增强。

发明内容

本发明的目的是为了得到三维分层多孔结构、高比表面积、高氮氧含量、高比容量和良好倍率性能的海蜇基碳材料，提供一种碳化-活化法制备氮氧自掺杂多孔碳材料的方法，该碳材料采用富含蛋白质的海蜇作为原材料，具有分层多孔结构，高比表面积、元素掺杂量丰富且可调等特点。将该材料用作超级电容器的电极材料可以获得良好的电化学性能，且整个制备工艺成本低廉，操作简单，条件可控。