[发明专利]一种氮掺杂分级多孔碳材料及其超级电容器制备中的应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂分级多孔碳材料及其超级电容器制备中的应用。氮掺杂分级多孔碳材料通过如下方法制备得到：将分子筛干燥除水后，浸泡在液态糠醇中，取出浸泡后的分子筛，除去表面糠醛，在惰性气体下进行糠醇在分子筛中的聚合反应，将聚合反应分子筛在惰性气体氛围下加热，加入含乙烯的惰性气体反应，继续在惰性气体下热处理得到分子筛/碳复合材料，溶解分子筛骨架得到分子模板碳，在氨气氛围下，退火处理制备得到氮掺杂的分级多孔碳材料。本发明保持了碳材料本身具有的结构稳定、循环稳定性好的优点，进一步增加了正极的导电性，提高了碳材料对锌离子的吸附和储存能力，极大地提高了超级电容器的比容量、能量密度和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，更具体地，涉及一种氮掺杂分级多孔碳材料及其在超级电容器制备中的应用。

背景技术

现代社会经济的发展是以充足的电能为基础的。近年来发展出了许多绿色环保的可再生能源和清洁能源，比如风能、太阳能、潮汐能和地热能等等，使用这些能源既符合可持续发展战略，又可以解决现代社会能源短缺的问题。但是由于可再生能源都具有间歇性和地域分散性的缺点，不能提供大范围、持续、稳定的电能，这时就需要发展安全可靠的电能储存器件来实现能量的储存和运输。为了更有效地利用上述可再生能源，发展新型电能储存器件是必要的。比容量大、循环稳定性好、功率密度和能量密度高的新型储能装置既可以提高可再生能源的利用率和应用范围，满足日常生活，又可以促进高新技术的发展。

锌离子混合超级电容器是一种低成本、高安全性、环保的新型储能装置，它是以二价锌离子为电荷转移载体，电池型锌材料为负极，电容型碳材料为正极组成，兼具电池和双电层电容器的优点，弥补了传统超级电容器能量密度低的缺点，且提高了传统电池的功率密度和循环稳定性。并且锌电极不同于非常活泼的锂、钠金属电极，它在空气和水中都是稳定的，因此非常适合做水系储能器件。虽然锌离子混合超级电容器有许多优点，但是也存在一个亟待解决的问题，锌负极具有极大的的理论容量(819mA h g^-1)，但是由于Zn²⁺在电极/电解质表面具有固有的物理吸附/解吸机制，碳正极对锌离子的存储能力小，降低了混合型超级电容器整体的比容量，阻碍了锌离子混合超级电容器的进一步发展。现有技术CN104715936A公开了一种用于超级电容器的分级多孔碳电极材料及其制备方法，通过改变微孔碳源和介孔模板的比例来制备不同孔结构的分级多孔碳，从而提升电化学性能，但其并未改善碳材料正极对锌离子的吸附和存储能力。本领域所期待的是开发一种能够促进锌离子吸附和储存能力的新型碳材料，提升混合超级电容器的容量和寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有电容器正极碳材料对锌离子的吸附和存储能力差的缺陷和不足，提供一种氮掺杂分级多孔碳材料。

本发明的另一目的在于提供所述氮掺杂分级多孔碳材料在制备超级电容器中的应用。

本发明的又一目的在于提供一种超级电容器正极材料。

本发明的又一目的在于提供一种超级电容器。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种氮掺杂分级多孔碳材料，所述氮掺杂分级多孔碳材料通过如下方法制备得到：

S1.将分子筛干燥除水后，浸泡在液态糠醇中，浸泡压力为50～300MPa，浸泡时间10～60min；

S2.取出S1中浸泡后的分子筛，除去表面糠醛，在惰性气体下进行糠醇在分子筛中的聚合反应，反应温度为20～300℃，反应时间12～72h；

S3.将S2中聚合反应分子筛在惰性气体氛围下加热至500～1200℃，升温速率为1～10℃/min，加入含乙烯的惰性气体，反应12～72h，继续在惰性气体下热处理得到分子筛/碳复合材料，其中热处理温度500～1200℃，热处理时间3～72h，含乙烯的惰性气体中乙烯体积含量为0.2～5％；