[发明专利]一种用于超级电容器的氮掺杂炭气凝胶材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器的氮掺杂炭气凝胶材料的制备方法，包括下列步骤：将壳聚糖锌配体凝胶经过冷冻干燥，高温处理和洗涤等步骤，制得氮掺杂炭气凝胶材料；本方法具有原料来源自然储量大易获取、生产工艺相对简单、污染小、易于实现量产、产品孔径大小及数量在较大范围内可控等优点；本发明还公开了一种氮掺杂炭气凝胶材料，比表面积为1474‑2890 m²/g，介孔率为40%‑85%，氮含量为3%‑8%；材料具有分级多孔结构，电化学性能良好；本发明还公开了上述氮掺杂炭气凝胶材料作为超级电容器电极材料的应用，应用时该材料表现出高能量密度。

技术领域

本发明涉及超级电容器材料技术领域，具体涉及一种用于超级电容器的氮掺杂炭气凝胶材料及其制备方法，以及将这种材料用作超级电容器电极材料的技术。

背景技术

超级电容器因其充放电速度快、储能密度高、循环寿命长、工作温限宽等优点而日益受到关注。超级电容器主要包括：集流体、电解质、电极和隔膜。其中，超级电容器电极材料的结构和特性是决定超级电容器性能的关键。因此，研发高性能的超级电容器电极材料具有重要的意义。

随着科技的发展，低密度材料越来越受到人们重视，尤其是超轻材料的诞生使得低密度材料上了一个新的台阶。超轻材料指的是密度小于10 mg/cm³的固体材料，具有优异的比强度、比刚度和耐热性，还具有良好的结构性能和物理及化学性能。

炭气凝胶材料是一种典型的新型纳米多孔超轻材料，具有很高的比表面积，密度变化范围广，孔隙结构可调且在一个很宽的温度范围内具有很高且稳定的电导率等特点，其在力学、声学、电学、热学及光学等领域都有潜在的应用价值，已经被研究应用于超级电容器的电极材料。鉴于炭材料表面的化学惰性，引入非金属杂原子，如N、P，不仅可以增加炭材料的浸润性，而且可以贡献一定的赝电容。陈等在《能源与环境科学》发表的《活性电解质增强超级电容器的自放电现象研究》中已经通过研究得出氮(N)掺杂可以有效地提升纳米炭材料的储能性能和电催化活性。在N掺杂富电子炭纳米结构中，碳π电子与N掺杂的单对电子共轭激活。另外，N原子作为一种赝电容元件，通过将赝电容耦合到电双层电容中，促进了炭材料比电容的提升。提高炭材料中N含量可以有效提高基炭电极的比表面积、表面润湿性、循环性和电子电导率。

目前，已经有了多种氮掺杂炭气凝胶材料的制备方法，这些方法一般采用酚类化合物和醛类化合物为原料，在碳酸钠为催化剂作用下发生缩聚反应，形成酚醛类气凝胶材料，再通过超临界干燥和碳化得到具有网络结构的氮掺杂炭气凝胶。但所采用的原料大多需要从外界引入氮源，原料的年产量不高，难以大量获取，因此利用可再生的天然生物聚合物制备高性能氮掺杂炭气凝胶材料是超级电容器电极材料发展的一个重要方向。

壳聚糖作为一种可再生的天然生物聚合物，是甲壳类海产品壳中甲壳素的一种脱乙酰衍生物，原料自然储量大，易获取。采用壳聚糖同时作为氮掺杂炭气凝胶材料的碳源和氮源，不需要采用昂贵的前体或有毒氮源以及繁琐的合成程序，此外，制备方法步骤少，生产工艺简单，制备得到的材料具有优异的电化学性能。2015年，郝等在《纳米能源》发表的《壳聚糖衍生的氮自掺杂型分级多孔碳气凝胶作为高性能超级电容器的电极材料》中，将壳聚糖在不断搅拌过程中溶于水，加一定质量分数的醋酸形成壳聚糖凝胶，并通过KOH活化和高温碳化的方法制得一种超级电容器用炭气凝胶材料。2018年，杰等在《碳水化合物聚合物》发表的《富氮多孔炭材料在超级电容器中的应用》中，制得壳聚糖锌配体凝胶，并通过水热反应和高温碳化的方法制得一种超级电容器用多孔炭材料。

然而上述报道的方法制备得到的超级电容器用氮掺杂炭气凝胶材料存在比表面积低、介孔率不高、孔径不易调控、比电容低的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种原料自然储量大易获取、污染小、制备所得材料具有比表面积和介孔率高、孔径大小及数量可控且电化学性能良好的一种用于超级电容器的氮掺杂炭气凝胶材料的制备方法。