[发明专利]一种半纤维素基氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种半纤维素基氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用，碳材料的制备方法包括以下步骤：1)制备柚子皮粉末；2)将柚子皮粉末加入至碱溶液中，搅拌均匀后抽滤，取滤液并调节pH至中性，之后加入乙醇并进行过夜沉淀；3)制备半纤维素；4)将半纤维素与三聚氰胺混合均匀，之后进行高温预碳化，得到碳前驱体；5)将碳前驱体与锌盐混合，之后进行高温煅烧，即得到半纤维素基氮掺杂多孔碳材料，该碳材料应用在超级电容器中。与现有技术相比，本发明以生物质废弃物柚子皮作为原料，具有环境友好型特点，且制备过程简单方便，有效改善了材料的导电性和电荷转移能力，大大提高了材料的电化学性能。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料技术领域，涉及一种半纤维素基氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与在超级电容器中的应用。

背景技术

随着全球发展日新月异，能源已成为影响人类社会发展的重要因素。寻找可再生能源、低碳环保能源来代替传统的化石能源，减轻因为能源问题对环境造成的危害，促进人类社会的可持续发展至关重要。为了寻找新能源以及对太阳能等可再生能源的进一步开发利用，世界各大高校以及各大公司纷纷投入资金，因此如何将这些能源有效的储存起来，然后在需要的时候有能高效的释放出来，成为一个亟待解决的问题。

电化学能源，由于能量转化效率高、能量密度高、功率密度高、可随意组合、便携度高等特点已成为近年的主要研究方向。电化学能源包含锂离子电池、超级电容器、蓄电池、燃料电池等。在这些电化学能源中，超级电容器因具有功率密度高、循环稳定性好、充放电速率快等特点成为研究热点。

与传统的电容器相比，超级电容器具有更高的能量密度，而与电池相比，超级电容器又具有更高的功率密度，所以超级电容器的存在可以很好的弥补电池与传统电容器之间的缺口。现在超级电容器更为广泛的应用是和电池联合使用，利用电池提供大的能量密度，超级电容器来提供使用时所需要的瞬时功率，以减小大电流充放电对电池电极材料的损伤。

电极材料是超级电容器的重要组成部分，如何设计制备具有高比电容的电极材料，是研发具有高能量密度超级电容器的关键所在，也是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种半纤维素基氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用，通过杂原子掺杂可以提高有效提高碳材料的导电性和电子传输能力，从而提高电化学性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种半纤维素基氮掺杂多孔碳材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将柚子皮的外皮去掉，剩余部分切成块状，洗涤后干燥，并研磨成粉末状，得到柚子皮粉末；

2)将柚子皮粉末加入至碱溶液中，搅拌均匀后抽滤，取滤液并调节pH至中性，之后加入乙醇并进行过夜沉淀；

3)将沉淀离心洗涤后干燥，得到半纤维素；

4)将半纤维素与三聚氰胺混合均匀(研磨直至充分分散)，之后进行高温预碳化，得到碳前驱体；

5)将碳前驱体与锌盐混合，之后进行高温煅烧，即得到所述的半纤维素基氮掺杂多孔碳材料。

步骤1)中，先将柚子皮的黄色外皮去掉，只留白色部分，以确保碳前体的成分一致。

进一步地，步骤2)中，所述的碱溶液为浓度5-20wt％的KOH溶液，该KOH溶液与乙醇的体积比为1:(1-3)，每100mL KOH溶液中加入0.8-1.2g柚子皮粉末。

进一步地，步骤3)中，干燥过程中，温度为100-300℃，时间为12-36h。

进一步地，步骤4)中，所述的半纤维素与三聚氰胺的质量比为1:1-5。三聚氰胺作为氮源。