[发明专利]氮掺杂多孔碳材料及含氮掺杂多孔碳材料的电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法，是将5‑硝基间苯二甲酸与硝酸镉通过溶剂热反应制备前驱体镉金属有机框架晶体，再将前驱体镉金属有机框架晶体在氮气保护条件下煅烧制得。本发明的氮掺杂多孔碳材料具有较好的导电率和循环稳定性能，采用所述氮掺杂多孔碳材料制成电极材料后，其比电容为120～230F/g，在1A/g下循环1600圈后电容保持率仍为70％。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料的制备技术领域，尤其涉及以单金属镉有机框架为模板掺杂氮的多孔金属碳材料的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种新型的绿色环保储能装置，它具有电容器快速充电的特点，同时又有电池的储能特性。超级电容器的特点主要表现在功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、免维护和绿色环保等方面。因此它在很多储能领域有很大的应用前景。当然，电极材料的选择是决定其性能好坏重要指标，根据储存电荷机理的不同可分为过渡金属氧化物、碳材料和导电聚合物。过渡金属氧化物属于赝电容，利用氧化还原反应和化学吸附/脱附使其具有高的比电容，但其导电性能差，循环稳定性低。多孔碳材料作为超级电容器的理想电极材料，它具有电导率高、稳定性强、成本低、以及高度发达的比表面积和孔隙结构等优点，其中，高比表面积和孔径分布可以提高电容器的比容量、循环寿命和倍率性能，但自身比电容相对较低。

金属-有机框架(MOFs)是有机-无机杂化材料，它是由有机配体和无机金属单元构建而成。由于其性能的优越性，在催化、荧光、质子导体、气体吸附与分离等方面有很大的应用前景。金属-有机框架的结构和功能具有复杂化与多元化的特点，并且具有调控性和可设计性，同时具有多孔性及大的比表面积，在电化学中提高了离子的渗透率，以及对催化性能和吸附能力有着不可缺少的作用。因此金属-有机框架被认为是理想的电极材料前驱体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂多孔碳材料，本发明的氮掺杂多孔碳材料具有良好的稳定性，在使用过程中循环寿命长；同时，由于材料中具有大量的孔洞，因而具有良好的电子传输能力。

本发明的另一目的在于提供上述氮掺杂多孔碳材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供一种包含上述氮掺杂多孔碳材料的电极材料及其在制备超级电容器中的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种氮掺杂多孔碳材料，是将5-硝基间苯二甲酸与硝酸镉通过溶剂热反应制备前驱体镉金属有机框架晶体，再将前驱体镉金属有机框架晶体在氮气保护条件下煅烧制得。

上述氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.向5-硝基间苯二甲酸中加入硝酸镉和乙醇溶剂，充分混合后，在80～100℃条件下反应70～80h，得到前驱体镉金属有机框架晶体；

S2.将步骤S1制得的前驱体镉金属有机框架晶体在氮气保护条件下，以5℃/min的升温速度升温至800～1000℃，再在800～1000℃条件下持续煅烧1～3h，得到氮掺杂多孔碳材料。

优选地，所述5-硝基间苯二甲酸、硝酸镉、乙醇的加入量比例为0.1～0.3mol:0.1～0.3mol:5L。

一种含氮掺杂多孔碳材料的电极材料，包括基底和电极材料层，所述电极材料层由涂覆于基底的电极浆料形成；所述电极浆料的原料包括上述氮掺杂多孔碳材料的制备方法制备的氮掺杂多孔碳材料。

所述电极浆料是由上述氮掺杂多孔碳材料的制备方法制备的氮掺杂多孔碳材料与包括粘结剂、导电剂的辅料加入溶剂中混合研磨后制得。

优选地，所述粘结剂为PVDF，所述导电剂为乙炔黑，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

更优选地，所述氮掺杂多孔碳材料、乙炔黑、PVDF的质量比为7～9:1:1。