[发明专利]一种调控海洋鱼骨类生物碳杂原子掺杂量的方法及其储钠器件的应用

说明书

一种调控海洋鱼骨类生物碳杂原子掺杂量的方法及其储钠器件的应用。空气氧化活化（AOA）技术用于提高生物碳材料的储钠性能的研究刚刚开始获得关注。作为这一领域的一种尝试，本专利使用了鱼骨作为前驱体来制备高比表面积、多级孔结构、和高含量N‑O‑S多原子掺杂的碳纳米材料。通过高温热解和简单的AOA技术，获得的碳纳米材料中N‑O‑S等杂原子含量得到了一个明显的提升。而且，通过空气的活化作用调整碳材料的微观结构，使其更有利于电解液的传输。该碳纳米材料应用于电极材料，表现出了较好的润湿性和导电性、较低的内阻、并且富含赝电容。组装的钠离子电容器器件表现出了卓越的能量‑功率密度和超长的循环稳定性。AOA技术使得鱼骨类衍生碳获得了更高的杂原子掺杂量，具有更优异的储钠性能，工艺与自然的结合将是一种绿色可持续发展的新技术。

技术领域

本发明属于电化学储能器件领域，提供了一种调控海洋生物质碳纳米材料杂原子掺杂量的方法——空气氧化活化技术，以及在储能器件中的应用。

背景技术

新能源储存器件的开发一直是现代社会发展的挑战之一，能够解决环境问题和能源危机。在众多能源储存器件中，钠离子电容器作为一种将二次电池和双电层电容器“内部交叉”而构成的新型混合储能器件，兼具二次电池和双电层电容器两种器件的电化学性能，具有高能量密度、高功率密度、和长循环寿命等特性可以满足实际应用中负载对电源系统电化学性能的整体要求。

随着钠离子电容器器件的迅猛发展，探找与之匹配的新型电极材料日显重要。多孔碳材料由于其较大的比表面积、丰富的孔隙结构、和较高的杂原子掺杂量以及良好的导电性，成为目前主导的电极材料之一。纳米碳材料的表面积、多孔结构和杂原子掺杂量是影响纳米碳作为电极材料的关键参数，因此，先进碳电极材料的设计是提高能量快速储存的关键。

本专利基于海洋生物鱼骨的独特结构，从海洋废弃生物资源入手，利用高温热解和空气氧化活化技术来对生物衍生碳材料进行结构调控和杂原子掺杂量调控，实现高性能离子电容器用多孔碳材料的低成本制备。通过实验室生产条件的放大及工艺优化，摸索出适合小规模宏量生产的技术路线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是用空气氧化活化技术来对海洋鱼骨类生物废弃物衍生碳的杂原子掺杂量来进行调控。并将其作为钠离子电容器的正负极材料组装离子电容器储能器件。

为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：

取一定量的鱼骨前驱体放置于研钵中，将其研磨成粉末。将研磨好的粉末放入管式炉中，在惰性气氛保护下以一定的速率升温至碳化温度热解一段时间。将碳化后的样品用稀盐酸、热的氢氧化钠溶液、或去离子水清洗去除杂质，干燥后得到多孔碳纳米材料。最后将获得的多孔碳纳米材料至于管式炉中，在空气气氛下进行空气氧化活化来进一步的调控多孔碳材料的杂原子掺杂量。处理好的多孔碳材料组装高性能的储能器件。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)空气氧化活化技术对鱼骨类生物衍生碳的纳米结构进行了优化和调控，使得其具有较高的比表面积和多级的孔结构，更好为电解液的传输提供通道；

(2)空气氧化活化技术对鱼骨类生物衍生碳的杂原子掺杂量进行了调控，使其富含大量的表面活性位点，表现出了较好的润湿性和导电性、较低的内阻、并且富含赝电容；

(3)通过该技术优化后的鱼骨类生物衍生碳获得了更高的储钠性能，工艺路线简单、环境友好无污染，可大批量的生产；组装的离子电容器器件具有卓越的能量-功率密度和超长的循环稳定性能。

附图说明

图1为实施例1-3得到的墨鱼骨生物衍生碳的扫描电镜（SEM）图片。

图2为实施例1-3得到的墨鱼骨生物衍生碳的拉曼分析图谱。

图3为实施例1-3得到的墨鱼骨生物衍生碳的氮气吸脱附曲线。