[发明专利]一种应用于超级电容器的氮掺杂空心碳球/MOF基多孔炭复合材料的制备方法

说明书

一种应用于超级电容器的氮掺杂空心碳球/MOF基多孔炭复合材料的制备方法，属于材料制备领域。该方法将聚苯乙烯PS小球溶液分散到去离子水中，加入三(羟甲基)氨基甲烷和盐酸多巴胺，持续搅拌后用去离子水洗至中性，得到产物。然后将产物分散到N，N‑二甲基甲酰胺溶液中，再加入六水合硝酸锌和苯并咪唑，反应一段时间后，将得到的样品在惰性气体保护下高温下处理一段时间，即可得到氮掺杂空心碳球/MOF基多孔炭复合材料。本发明的制备方法简单，原料丰富，成本较低；空心碳有利于电解液的存储并提供相应的传输通道，而以微孔为主MOFs多孔碳则可以提供大量的电荷存储位点，二者复合可以有效提升电极材料的电化学性能。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种氮掺杂空心碳球/MOF基多孔炭复合材料的制备方法及在超级电容器方面的应用研究。

背景技术

超级电容器由于能量密度高、功率密度高和循环寿命长等特点，成为电化学储能领域研究的热点。电极材料作为电容器的重要组成部分，其结构和组成直接决定电容器的性能。多孔炭以其较高的比表面积、较好的化学稳定性以及廉价易得等特点，受到了研究者的广泛关注。这其中，氮掺杂空心碳球以其诸多优势引起了广泛的关注：1)空心结构使得空心碳球具有一个较大的体积/表面比，使得活性位点与电解液可以充分的接触；2)空心结构可缩短离子电子的传递通道，可以有效改善电化学性能；3)氮掺杂的存在可以提高电解液在材料的浸润性，并且可以通过提供赝电容的方式提高材料的电化学性能(Nanfeng Zhenget al.Adv.Energy Mater.2016,6,1502539)。空心碳的制备方法主要有硬模板法和软模板法，硬模板法所使用的模板通常需要通过强酸或强碱等溶剂进行刻蚀，会带来一定程度的污染。相对而言，软模板法所使用的模板可以通过萃取、煅烧等方法进行移除，具有环境友好等特点(张登松等人，CN201510352231.3)。但是，单纯的氮掺杂空心碳孔结构较为单一，缺乏微孔，不利于电化学性能的进一步提高。

金属-有机骨架(metal-organic frameworks，MOFs)是一种由金属离子和有机配体构成的骨架化合物。由于具有高孔隙率，大比表面积、可调的形貌以及化学性质等特点，MOFs可以用作前躯体通过简单的煅烧和去除金属残留得到相应的多孔炭。当MOF的金属离子为锌离子时，高温炭化过程中，锌离子会挥发进一步产生微孔，提高多孔炭材料的比表面积，有助于提高其作为超级电容器材料的电化学性能。窦士学等人以ZIF-8为前躯体，经过简单的炭化得到的多孔碳作为电容器电极展现出了优异的性能(Shixue Dou etal.J.Mater.Chem.A,2014,2,19848)。但是此类MOF基多孔炭多为微孔结构，缺乏电解液的传输通道，不利用其电化学性能的进一步提升。因此，将具有大孔/中孔的空心碳与微孔结构的MOFs多孔碳复合，空心碳有利于电解液的存储并提供相应的传输通道，而以微孔为主MOFs多孔碳则可以提供大量的电荷存储位点，二者的结合，有望得到高性能的超级电容器电极材料。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种应用于超级电容器的氮掺杂空心碳球/MOF基多孔炭复合材料的制备方法，该制备方法简单可靠，所制备的材料具有良好的电化学性能。

为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于超级电容器的氮掺杂空心碳球/MOF基多孔炭复合材料的制备方法，该方法将聚苯乙烯PS小球溶液分散到去离子水中，加入三(羟甲基)氨基甲烷和盐酸多巴胺，持续搅拌后用去离子水洗至中性，得到产物。然后将产物分散到N，N-二甲基甲酰胺溶液中，再加入六水合硝酸锌和苯并咪唑，反应后，将得到的样品再在惰性气体保护下高温下处理，即可得到氮掺杂空心碳球/MOF基多孔炭复合材料。具体步骤如下：

第一步：制备聚多巴胺包覆PS小球(PS@PDA)