[发明专利]具有高电容的多级孔高氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高电容的多级孔高氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法。所述方法将丙烯腈丙烯酸共聚物与对苯二甲酸混合溶于N,N‑二甲基甲酰胺形成纺丝溶液，通过静电纺丝技术制备丙烯腈‑丙烯酸‑对苯二甲酸聚合物复合纳米纤维，再通过多步热解法制得多级孔高氮掺杂碳纳米纤维。本发明制得的多级孔高氮掺杂碳纳米纤维具有低的溶液接触电阻、电荷转移电阻及离子扩散阻力，且在0.5Ag^‑1电流下，具体高达327Fg^‑1的高比电容，经过两万次循环后电容保持率达99％。

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，涉及一种具有高电容的多级孔高氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

超级电容器又称电化学电容器，是一种介于电池和传统电容器之间的清洁、高效的新型储能器件。与传统的蓄电池相比，超级电容器具有较高的功率密度，并且具有比传统电容器更高的能量密度。在充放电过程中，超级电容器表现出充电快、循环寿命长、环境友好等优异的性能。近年来，超级电容器广泛地应用于汽车工业、航空航天、国防科技、信息技术、电子工业等领域。电极材料决定了超级电容器最终的性能。根据电极材料和电解质之间储能机理的不同，超级电容器可以分为双电层电容器和法拉第赝(准)电容器。由于碳纳米纤维具有超高的比表面积、制备简单、耐化学腐蚀、结构易于调整、价格低廉等突出的特点，可作为电极材料应用于超级电容器中。其中，聚丙烯腈基碳纳米纤维的制备工艺简单，含碳量高，比表面积大，在超级电容器电极材料中得到了广泛关注。

目前，大多采用高腐蚀性试剂对材料进行改性。中国专利申请CN105923634A将椰壳纤维通过NaOH与KOH进行处理，最终获得比电容为266.32F g^-1的椰壳纤维基活性炭。虽然椰壳作为生物质便宜易得，但制备过程中多次使用了高腐蚀性试剂，材料中仅存在微孔，不利于离子的传输。lee等人采用静电纺丝制得SiO₂与聚丙烯腈复合纤维，除去SiO₂后，再利用KOH活化，制得了具有多级孔结构的活性碳纤维(Chemical Engineering Journal,263(2015)62-70)。该材料在5mv s^-1的扫速下显示出197Fg^-1的比电容，但制备工艺复杂，二氧化硅的除去和后续活化过程都使用了大量高腐蚀性试剂，成本较高。Ma等人通过静电纺丝酚醛树脂/聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液与pluronicF127和Mg(NO₃)₂·6H₂O合成介孔碳纤维(Chemical Engineering Journal,304(2016)587-593)。制得的介孔碳纤维在0.2Ag^-1的电流下显示出270Fg^-1的比电容。虽然介孔碳纤维实现较高的比电容，但介孔的形成依赖于通过后处理将Mg(NO₃)₂除去，制备和后处理过程复杂，成本高昂。综上所述，现有合成方法均采用了高腐蚀性的试剂，或采用了昂贵的前驱体，不利于环保与可持续发展，复杂的后处理过程会大大增加材料的生产成本，不利于实际生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高电容的多级孔高氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

具有高电容的多级孔高氮掺杂碳纳米纤维的制备方法，该方法以丙烯腈丙烯酸共聚物为原料，通过静电纺丝技术，以对苯二甲酸为制孔剂，N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，制备丙烯腈-丙烯酸-对苯二甲酸聚合物复合纳米纤维，再依次对丙烯腈-丙烯酸-对苯二甲酸聚合物复合纳米纤维进行预氧化和碳化，得到多级孔高氮掺杂碳纳米纤维，具体步骤如下：

步骤1，按丙烯腈丙烯酸共聚物与对苯二甲酸的质量比为1.6±0.1：1，将丙烯腈共聚物与对苯二甲酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，形成纺丝溶液，通过静电纺丝方法制备丙烯腈-丙烯酸-对苯二甲酸聚合物复合纳米纤维；