[发明专利]一种超级电容器用氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，特别是以干酪素为碳源和氮源制备氮掺杂多孔碳材料的方法，还涉及其在超级电容中的应用及电化学性能。该制备方法原料来源方便、环保、是一种利用生物质制备氮掺杂多孔碳材料的新途径，制备步骤简单，反应条件相对温和，易于操作控制，制备出的氮掺杂多孔碳的比表面积大、比电容高。在较优条件下制备的超级电容器电极材料比表面积可达1902.5m²g^‑1，氮含量可达8.3％，在6M KOH溶液中，1Ag^‑1电流密度下，测得比电容可达393.2Fg^‑1，且循环稳定性好，是一种相对理想的超级电容器电极材料。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，特别是以干酪素为原料制备氮掺杂多孔碳材料的方法，还涉及其在超级电容中的应用及电化学性能。

背景技术

目前，由于环境的污染和化石能源的消耗，人们对于可再生能源的需求越来越迫切，可再生能源的开发和利用对解决当前人类社会的能源危机和环境问题具有重要意义，人们现在开发的太阳能、风能、水电等就是一种环境友好型可再生能源。然而，这一类能源具有季节性、地域性和不连续性等特性，使得它们在工业和日常生活中不能直接被使用。因此如何去储存这一类能源，成为现如今研究的热点问题。目前市场上常见的储能装置有碱锰、银锌等一次电池，铅酸、镍镉、镍氢以及锂离子电池等二次电池，长久以来都是随时随地可便捷使用的能源，方便了人们的生产生活。然而在一些高能脉冲等应用场景中，这种传统的蓄电池已经不能满足所需要的最大功率，因此必须研发出高功率密度的储能装置，来克服传统储能装置的这一缺点。在超级电容器中电极材料和电解液有着至关重要的作用。因为这两部分是衡量一个超级电容器性能好坏的关键部分，决定着超级电容器的能量密度、功率密度以及循环稳定性等。在这两部分中，电极材料是当今研究者研究的热点问题。可用作超级电容器材料主要有以下这几大类：碳材料(如多孔碳、石墨烯、碳纳米管等)；金属氧化物(如RuO2， MnO2，CoOx，NiO，Fe₂O₃等)；导电高分子(聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等)。而多孔碳由于具有低成本、来源广泛、对环境无污染、比表面积方面大、电化学性能优良等特性，在双电层电容器中具有较大优势，从而受到广大研究者的青睐。但多孔炭的能量密度低，为提高多孔炭的比电容与能量密度，一般采用的方法是增加多孔炭的比表面积，但比表面积的增加会导致材料导电性的下降，增加超级电容器的内阻；而采用向多孔炭中引入氮元素，可增加多孔炭材料表面与电解液之间的润湿性，引入赝电容反应，从而提高多孔炭的比电容[陈崇等，基于羧甲基纤维素钠制备氮掺杂多孔炭及其电容性能研究，物理化学学报，2013，29(1)，102 -110]，该文献采用羧甲基纤维素钠为碳源，外掺尿素为氮源，经高温炭化工艺制备氮掺杂多孔炭材料，氮掺杂后多孔炭材料的超电容性能得到了一定提升，其质量比电容由94.0F/g 提高到156.7F/g，但比电容值还是较低；为此，我们提出一种以天然高分子-干酪素为碳源和氮源的提供者，采用纳米二氧化硅为模板制备超级电容器电极氮掺杂碳材料的方法，制备出的氮掺杂多孔碳的比表面积大、比电容高。

发明内容：

本发明涉及一种氮掺杂碳的制备方法，特别是以干酪素为原料制备氮掺杂碳材料的方法，该制备方法简单，且易于操作控制，成本低廉，制备出的氮掺杂多孔碳的比表面积大、比电容高。

一种以干酪素为原料，同时提供碳源和氮源制备超级电容器电极氮掺杂碳材料的方法，其特征在于是按以下步骤进行的：