[发明专利]一种原位氮掺杂多孔碳微球/铜基复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种原位氮掺杂多孔碳微球/铜基复合材料及其制备方法与应用，通过以吡啶作为氮源，以吡啶和六氯丁二烯为碳源，以无水醋酸铜为铜源；在制备时，先将吡啶和六氯丁二烯混合，再加入无水醋酸铜进行溶剂热反应，得到固体产物，将固体产物烘干研磨，得到黑色固体粉末；接着进行高温碳化处理，以每分钟升温5‑10℃，直至升至600‑1000℃，高温碳化结束后，得到试样，再进行第二次研磨，得到复合材料。本发明中制得的原位氮掺杂多孔碳微球/铜基复合材料具有很好的电化学性能，具体表现为大容量，长寿命，高能量密度，适用于超级电容器的电极材料。在以原位氮掺杂多孔碳微球/铜基复合材料为电极的超级电容器在功率密度为1kW/kg时，能量密度达75Wh/kg。

技术领域

本发明涉及无机功能材料和电化学能源技术领域，更具体的说是涉及一种原位氮掺杂多孔碳微球/铜基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

超级电容器，也称为电化学电容器，是一种具备长使用寿命、快速充放电性能、高功率密度的储能设备。根据储能机理的不同，可将超级电容器分为双电层电容器和法拉第赝电容器两大类。其中，法拉第赝电容器主要是通过法拉第赝电容活性电极材料(如过渡金属氧化物和高分子聚合物)表面及表面附近发生可逆的氧化还原反应产生法拉第赝电容，从而实现对能量的存储。

功率密度和能量密度是衡量电能储存装置的两个重要指标，其中能量密度衡量电容的储能能力，功率密度影响电容的输出功率，现有技术中的电容能量密度高的，其功率密度低，反之功率密度高的，其电容密度低；目前现有的超级电容器在保持1kW/kg的功率密度输出时，其能量密度仅为5-40Wh/kg；

例如刘恩辉等公开了一种应用于超级电容器的铜量子点/活性炭复合材料的制备方法(公开号：CN105529192B)，该发明以生物质原料作为碳源，并利用化学镀的方法在生物质多孔活性炭上沉积出铜量子点。该材料在功率密度为1619.3W/kg时的能量密度达到25.9Wh/kg。他们也公开了另一种多孔活性炭/铜离子超级电容器的制备方法(公开号：CN105609327B)，通过在电解液里添加铜离子水溶液增加了超级电容器的性能。该材料在功率密度为1020W/kg时的能量密度达到39.5Wh/kg。

张跃钢等公开了一种三维结构硫铜化合物/碳纤维复合材料、其制法及应用(公开号：CN107799322A)。该材料在低电流密度下电容值为500F/g。

Kun Wang等合成了一种可拉伸的Cu₂O/CuO/RGO复合材料，在1A/g的电流密度下电容值仅为173.4F/g(Electrochimica Acta,2015,152:433-442)

对于这些已经公开的铜碳复合材料，当它们应用于超级电容器时，虽然其电容值已有相当的提升，但这些超级电容器的能量密度依然较低，在某些特殊领域无法被利用，大大限制了其发展。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种原位氮掺杂多孔碳微球/铜基复合材料，以该复合材料为电极材料的超级电容器在功率密度高时，依然具有很高的能量密度。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种原位氮掺杂多孔碳微球/铜基复合材料，包括下列摩尔份物质组成：

吡啶15-50份；

六氯丁二烯1份；

铜源1.3-5.2份。

作为本发明的进一步改进，所述铜源为无水醋酸铜。

作为本发明的进一步改进，一种原位氮掺杂多孔碳微球/铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：先将吡啶和六氯丁二烯混合均匀，加入反应容器内；接着将铜源将入反应容器混合；然后将反应容器放入烘箱内进行热反应；