[发明专利]一种氮掺杂多孔炭材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔炭材料及其制备方法与应用，氮掺杂多孔炭材料，其比表面积为1600‑3500m²g^‑1，孔径为2‑50nm的介孔所占全部孔的比例为20‑40％，平均孔径为2‑20nm，多孔炭材料中氮原子质量百分数为13.6wt％‑19.3wt％。该多孔炭材料用作超级电容器材料时，具有更大的比电容和更好的电容保持率，在0.1A g^‑1的电流密度下具有847F g^‑1左右的比电容，循环5000次充放电后，电容保持率在99.7％左右。同时，该多孔炭材料由于优异的孔结构分布，具有良好的CO₂吸附性能。

技术领域

本发明属于多孔炭材料制备技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔炭材料及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

超级电容器是继机械储能、化学储能后的第三代新型储能器件，其功率密度是电池的10-100倍，且可以实现大电流的充放电，以及具有充放电效率高、循环寿命长等特点。在电子产品、电力系统、汽车、轨道交通及航空航天等领域需求广泛，成为诸多绿色能量转换及二次储能器件研究的热点。

多孔炭因具有较大的比表面积、发达的孔结构以及良好的导电特性等优势，是目前商用超级电容器的首选材料。增加炭材料的比表面积可以在一定程度上增加其比电容，但其储电性能与比表面积并非简单的成线性关系。越纯净的炭材料表面官能团越少，导致其高比表面积不能得到充分利用，单纯通过提高炭材料的比表面积来提高其比电容具有很大的局限性。通过对碳材料进行杂原子掺杂改性是提升多孔炭材料性能的有效方法。氮原子和碳原子具有相近的原子半径，在掺杂过程中碳自身的结构不易发生破坏，且其可以将碳的六元环状结构变成五元环状结构，从而导致材料表面结构、亲水性、导电性的改变，大大拓宽了炭材料的应用领域。

中国专利(公开号CN 108922794 A)公开了一种氮掺杂生物质基活性炭电极材料的制备方法，其掺杂过程设置在热化学处理工艺前，氮源材料消耗量大；热化学处理温度高，时间长，极大的增加了制备工艺的成本。应用该工艺制备的碳材料比表面积达825.3m²g^-1，在0.5A g^-1的电流密度下，比电容为259F g^-1，仍达不到目前高性能电容炭的标准。

中国专利(公开号CN 108622877 A)公开了一种具有多级孔构造的氮掺杂多孔炭材料及其制备方法和应用，利用纤维素类生物质为原料，有机物尿素、甘氨酸作为氮源，其步骤包括氮源预处理、碳源氮源混合、低温碳化、高温活化等步骤，工艺复杂，氮源材料消耗量大。应用该工艺制备的碳材料比表面积达2600m²g^-1，在3A g^-1的电流密度下，比电容可达210F g^-1，达不到目前高性能电容炭的标准。

中国专利(公开号CN 108483442 A)公开了一种竹笋壳制备高介孔率氮掺杂炭电极材料的方法，其步骤包括水热预处理、低温碳化同步氮掺杂、活化处理，步骤复杂，氮源材料消耗量大。其在电流密度为0.5A g^-1时电容量为209F g^-1，达不到目前高性能电容炭的标准。

中国专利(公开号CN 109319778 A)公开了一种氮掺杂松子壳基多孔炭材料的制备方法及应用，其氮源材料采用氨基脲、尿素、碳酸胍等链状氮源，掺杂材料消耗量大，掺杂效果不明显。预处理过程采用低温碳化工艺，不能完全去除原材料中的挥发分，炭化产物中仍然保留着大量的H、O原子，导致掺杂过程效率较低。在电流密度为0.5A g^-1时，其比电容达278-380F g^-1，仍有进一步提升的空间。