[发明专利]一种可控制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用

说明书

本发明公开了一种可控制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用，方法如下：1)将纤维素羧酸衍生物和有机碱于水中混合，20‑45℃油浴，反应1‑24h合成纤维素羧酸衍生物质子型离子液体溶液,干燥得到A品；2)将A品用粉碎机粉碎，用乙酸乙酯溶剂清洗，20‑65℃真空干燥10‑15h得到纤维素羧酸衍生物质子型聚离子液体B品；3)将B品经过直接碳化法或两步法碳化处理，获得氮掺杂碳材料初产物C品；4)将C品用盐酸和纯水清洗，80‑120℃真空干燥10‑15h，即得到氮掺杂多孔碳材料。所述氮掺杂多孔碳材料作为电极在储能领域的应用。本发明具有原料绿色环保，来源广泛，制备工艺简单，应用在电池领域时功率密度高，充电时间短，循环寿命长的特点。

技术领域

本发明涉及一种可控制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用，特别是一种利用纤维素羧酸衍生物质子型聚离子液体为前驱体制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用。

背景技术

碳负极材料是目前己实际应用于超级电容器电极材料，其材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。但是由于这种炭素材料理论比电容较低，远远不能够满足实际需求，并且这种石墨材料与有机溶剂的相溶能力较差，大电流充放电性能不好。所以为了改变这种现状，研究人员通过在碳骨架中引入N、O、P等杂原 K.Y.Park,etal.,JournalofPhysicalChemistryC,2012,116,16848–16853.b)Y.A.Huang,F.Yang,Z.XuandJ.Shen,JournalofColloid&InterfaceScienc e,2011,363,193-198.)或含氨基、硝基、磺酸等基杂原子基团等 (K.Gong,F.Du,Z.Xia,M.DurstockandL.Dai,Science,2009,323,760-764.), 从而增强材料的导电性、电化学性质以及改善相容性差等问题。目前有两种掺杂的方法：

(1)后处理合成法，一般是通过三聚氰胺、NH₃等化学试剂在高温下对碳材料进行处理。利用此方法能够有效的引入氮源，但是合成步骤繁琐，掺杂量较低，并且掺入的杂原子具有不可控和不均匀等缺点。(a) FuertesAB,etal.,JournalofMaterialsChemistryA,2014,2(35):14439-144 48.b)H.F.Gorgulho,etal.,Carbon,2009,47,2032-2039.c)SeredychM,etal.,Carbon,2008,46(11):1475-1488.)；

(2)原位合成法，即直接碳化含杂质原子前驱体，如聚合物或离子液体。利用此方法从根本上改变碳材料的导电性以及润湿性等性质，得到具有高含量杂原子的多孔碳材料(a)SilvestrealberoA,etal.Industrial&EngineeringChemistryResearch ,2014,53(40):15398-15405.b)LiuR,WuD,FengX,etal.,AngewandteChemieInternationalEdition,2010,122(14):2619-2623.c)FengL,YanY,ChenY,eta l.,2011,4(5):1892-1899.)。

有大量研究用植物或者动物骨头作为前驱体，通过碳化与活化制备含O、 N、S、P等杂原子的碳材料。例如，GongyuanZhao (NanoEnergy,2018,47,547-555)等人利用一步法碳化死蚂蚁得到O-N-S共掺杂多孔碳材料。Yong-QingZhao (JournalofPowerSources,2016,307,391-400.)等人用KOH对烟草叶进行活化，得到氮掺杂多孔碳材料。此方法具有原材料来源广泛、绿色、经济实惠、制备过程简单等优点，但是天然生物材料制备碳材料存在结构不可控、杂原子形态无法控制的缺点，所以不能进行可控性制备碳材料。