[发明专利]一种无烟煤基氮掺杂多孔碳材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种无烟煤基氮掺杂多孔碳材料的制备方法与应用，该氮掺杂多孔碳材料以无烟煤为原料，通过将预处理过后的无烟煤、氢氧化钾和三聚氰胺研磨混合均匀后进行高温碳化，最后经过酸洗、烘干制得。本发明制得的氮掺杂多孔碳材料具有高比表面积、合适的氮含量，电化学性能优异，可用作超级电容器电极材料。本发明利用廉价的无烟煤为原料，以氢氧化钾作为活化剂，三聚氰胺作为氮掺杂剂，实现氮掺杂和活化过程同步完成，制备步骤简单，成本低，以其制备的超级电容器电极具有高比电容和高循环稳定性，性能优越。

技术领域

本发明属于无机纳米材料及电化学领域，涉及一种氮掺杂多孔碳材料，具体涉及一种无烟煤基氮掺杂多孔碳材料的制备方法与应用。

背景技术

随着化石能源的过度消耗，在世界范围内出现了严重的能源短缺与环境问题，开发清洁、绿色以及可持续能源迫在眉睫。风能、潮汐能、太阳能等新能源的有效利用成为能源供给的一个可行途径。超级电容器作为一种新型能源存储设备独具优势，超级电容器具有高的功率密度，快速的充放电能力以及长的循环寿命等优点，在电力系统、能源汽车与微小型智能设备上具有广泛的应用潜力。

超级电容器电极材料包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等。多孔碳材料具有大的比表面积，良好的孔隙结构，优异的化学稳定性，是一类极有潜力的超级电容器电极材料。多孔碳材料拥有大量的微孔以及部分中孔和大孔，微孔能够提供大的比表面积以及足够的反应活性位点，有助于形成超级电容器双电层电容，保证高的功率密度与倍率特性；中孔和大孔可以提供电解液储存场所并且充当离子传输通道，提高离子扩散与质量传输。因此，多孔碳材料的独特的结构吸引了近年来科研人员的密切关注。另外，在多孔碳材料上进行表面改性与杂原子修饰以引入赝电容提高材料的电化学性能也是非常重要的一个研究方向。

煤炭在世界上储量丰富，煤炭的清洁高效利用既能缓解传统使用方式带来的环境问题，又能提高煤的价值属性。无烟煤是一种含碳量高、挥发率低、密度和硬度高、变质程度较高的洁净煤种，无烟煤具有多种多环芳烃，在热解过程中会发生多种内部官能团反应和结构转变。并且无烟煤经过有效活化后容易形成有序的孔隙结构，生产出结构良好的多孔碳材料。CN10614511A公开了一种活性炭两步活化制备方法及其在超级电容器中的应用，利用无烟煤为原料，以物理活化、化学活化和脱灰三种方式耦合，制得活性炭材料，并用于制备超级电容器。该方法不仅工艺复杂，而且制得的活性炭材料的比表面积在860-980cm²g^-1，制备的超级电容器在0.5Ag^-1电流密度下，比电容在240-275F g^-1，性能不够优越。因此，开发简单、可持续、电化学性能优越的无烟煤基多孔碳材料制备技术是十分必要的。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种无烟煤基氮掺杂多孔碳材料的制备方法，步骤简单，且制得的碳材料具有高比表面积。

本发明的目的之二是提供一种由上述制备方法制得的无烟煤基氮掺杂多孔碳材料的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种无烟煤基氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无烟煤清洗晾干，然后进行机械球磨，过20目筛，得到颗粒均匀的煤粉；将筛分后的煤粉置于650℃管式炉中惰性气氛下碳化1-3h，得到炭化料；将炭化料在40-60℃条件下用1mol L^-1氢氧化钾溶液碱洗1-3h，过滤，水洗至滤液呈中性；再在40-60℃条件下用1mol L^-1稀盐酸溶液酸洗1-3h，过滤，水洗至滤液呈中性，产物过夜烘干；

(2)按质量比1：3：0-1分别称取预处理后的无烟煤、氢氧化钾、三聚氰胺，研磨混匀后得到混合料；

(3)将混合料转移至管式炉中，在惰性气氛保护下升温至700-900℃，保温2h进行碳化活化；