[发明专利]锂离子电容器用的氮掺杂多孔炭材料及其低温共融溶剂活化生物质废弃物高效的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电容器用的氮掺杂多孔炭材料及其低温共融溶剂活化生物质废弃物高效的制备方法。该方法包括：将含氮化合物、氯化物和活性添加剂混匀，加热，得到低温共融溶剂，将粉碎后的生物质废弃物加入低温共融溶剂中，混匀，得到前驱体；在保护气氛下将前驱体煅烧，研磨，得到煅烧后的产物，洗涤，干燥，得到锂离子电容器用的氮掺杂多孔炭材料。本发明采用低温共融溶剂代替传统的固体活化剂，通过直接与生物质废弃物均相混合完成前驱体的制备，减少了前驱体的制备的时间和能耗。所述氮掺杂多孔炭材料具有较大的比表面积和优异的电化学性能。该方法具有产率高、成本低、工艺简单、可控、环保高效，具有良好的工业化应用前景。

技术领域

本发明炭材料制备领域，具体涉及一种锂离子电容器用的氮掺杂多孔炭材料及其低温共融溶剂活化生物质废弃物高效的制备方法。

背景技术

作为现代工业与制造业不可或缺的原材料之一，炭材料具有良好的化学稳定性，结构可塑性以及电导性等一系列的优点，广泛应用于储能、环保以及催化领域。随着技术的发展，具有更优良性能的杂原子(如B、N、P或O等) 掺杂炭材料则受到业界的关注，其中氮掺杂炭材料则是当下杂原子掺杂炭材料主要研究焦点之一。M.Zhang等以含氮壳聚糖为原材料，以醋酸镁和醋酸钾活化剂，采用一锅法制得多孔的氮掺杂碳材料(Carbon,140,2018,237-248.)，该材料作为锂离子电容器电极材料展现出了优异的性能。Y.W.Ma等以氮含量较高的蚕丝作为原材料，采用一锅法以KCl为活化剂，将蚕丝于KCl浸渍混合后于氩气环境中热解碳化，从而制得蜂窝状的氮掺杂碳材料(Electrochim.Acta. 2016,215,223)，该材料氮含量较高(高达4.7％)，作为非金属的析氢反应催化剂表现出了良好的催化性能。可见，高性能氮掺杂炭材料具有良好的工业应用前景。

然而，高性能氮掺杂炭材料商业化所面临的最大难题在于传统炭材料工业制备过程中，浸渍分散与强碱活化剂活化所带来的长耗时、高能耗、高污染以及低产率，这导致了当前高性能碳材料价格的居高不下(平均市场价格在50～100US$/kg)(J.Power Sources,2000,91,37-50.)。因此，寻求一种成本低廉、工艺简单、环保高效、反应过程容易控制并且与当前炭材料工业制备体系兼容性好的高性能碳材料的合成工艺，具有重要的现实和理论意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种锂离子电容器用的氮掺杂多孔炭材料及其低温共融溶剂活化生物质废弃物高效的制备方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明采用低温共融溶剂代替传统的固体活化剂，通过直接与生物质废弃物均相混合即可完成前驱体的制备，减少了前驱体的制备所需的时间和能耗。该方法制备的氮掺杂多孔炭材料不仅产率高(0.40-0.45g/g生物质)，还具有高的比表面积(1600-1700m²/g)和优异的电化学性能。本发明具有成本低廉、工艺简单且可控、环保高效且与当前工业制备体系兼容性好等优点，具有良好的工业化应用前景。

本发明提供一种低温共融溶剂活化生物质废弃物高效制备锂离子电容器用的氮掺杂多孔炭材料方法，其采用低温共融溶剂代替传统的固体活化剂，通过直接与生物质废弃物均相混合即可完成前驱体的制备，并且可以通过调控低温共融溶剂的组成与活化温度来对炭材料的比表面积、孔结构以及氮含量进行调控。

本发明提供的一种低温共融溶剂活化生物质废弃物高效制备锂离子电容器用的氮掺杂多孔炭材料方法，包括如下步骤：

(1)将含氮化合物、氯化物和活性添加剂混合均匀，加热处理，得到低温共融溶剂，保持温度不变，将粉碎后的生物质废弃物加入所述低温共融溶剂中，混合均匀(均相混合)，冷却至室温，得到前驱体；

(2)在保护气氛下将步骤(1)所述前驱体转移至管式炉中升温进行煅烧处理，研磨成粉，得到煅烧后的产物，洗涤，干燥，得到所述锂离子电容器用的氮掺杂多孔炭材料。