[发明专利]一种应用于超级电容器的氮掺杂中空多孔碳及其制备方法

说明书

一种应用于超级电容器的氮掺杂中空多孔碳及其制备方法，属于电极材料技术领域，该方法将过渡金属盐、柠檬酸钠、加入到过渡金属氰化盐水溶液中，搅拌并在室温下老化。将生成的沉淀水洗烘干即得到普鲁士蓝。取制备好的PB分散于乙醇水溶液中，加入三(羟甲基)氨基甲烷和盐酸多巴胺进行反应得到PDA包覆的普鲁士蓝。将所得产物离心烘干碳化后，加入盐酸洗涤，即得到氮掺杂的多孔空心碳。该制备方法简单可靠，所制备的材料具有良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种应用于超级电容器的PDA包覆普鲁士蓝制备氮掺杂多孔空心碳的方法，尤其涉及一种应用于超级电容器的PDA包覆普鲁士蓝制备氮掺杂多孔空心碳及其方法。

背景技术

超级电容器作为一种特殊的电化学能量储备系统，将高功率电容器和高能量密度电池的优势相结合的同时具有较长的循环寿命使其成为目前的研究热点。电极材料作为超级电容器的重要组成部分，其结构和组成直接决定了超级电容器的性能。中空碳以其较高的比表面积、较好的化学稳定性的优点引起人们广泛关注。其中氮掺杂的中空多孔碳作为电极材料具有更显著的优点：1)中空结构具有较低密度和较大比表面积得到较高容量和能量密度；2)多孔结构缩短了电子/离子传输通道；3)中空结构可以缓解反复充放电对结构的破坏(Jianwei Nai et al.Adv.Mater.2019,31,1706825)；4)氮掺杂改变电子排布，提供氧化还原位点，从而提高赝电容。传统的中空碳制备方法包括硬模板法和软模板法，硬模板法在处理模板时会采用腐蚀性试剂去除模板，不可避免的造成环境污染。相对而言，软模板法所采用的模板可以通过萃取、煅烧等方法进行移除，具有环境友好等特点，但工艺流程复杂，耗时较长。

普鲁士蓝(PB)被看做是典型的双金属骨架化合物，由过渡金属离子和含氰基配体构成的3D骨架化合物，具有与金属有机骨架化合物(MOFs)相似的性能，如大比表面积，可调控的形貌和化学性质等特点。同样，PB可作为前驱体经过碳化处理后可以得到相应的碳材料应用于电化学储能领域。Peng等人将Zn-Fe PBA直接热解形成了堆积的多孔纳米碳材料(Peng,Z et al.Carbon.2019,05,073.)，该材料作为超级电容器的负极展现出了较好的性能。而以普鲁士蓝为前躯体，利用聚多巴胺(PDA)作为保护剂和氮源，并通过炭化-酸洗过程，自模板化构筑氮掺杂中空多孔碳，既能够得到高性能超级电容器负极材料，还具有制备工艺流程简单，环境友好等特点。

发明内容

一种应用于超级电容器的氮掺杂中空多孔碳的方法，及其在超级电容器方面的应用研究，该制备方法简单可靠，所制备的材料具有良好的电化学性能。

为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于超级电容器的氮掺杂中空多孔碳的制备方法，该制备方法将过渡金属盐、柠檬酸钠、加入到过渡金属氰化盐水溶液中，搅拌并在室温下老化。将生成的沉淀水洗烘干即得到普鲁士蓝。取制备好的PB分散于乙醇水溶液中，加入三(羟甲基)氨基甲烷和盐酸多巴胺进行反应得到PDA包覆的普鲁士蓝。将所得产物离心烘干碳化后，加入盐酸洗涤，即得到氮掺杂的中空多孔碳。具体步骤如下：

第一步：制备普鲁士蓝(PB)

1.1)室温下，将过渡金属盐、柠檬酸钠按照1:1-1:4的质量比加入去离子水中充分混合，形成A溶液，其中，每20mL去离子水中加入75-150mg过渡金属盐。将过渡金属氰化盐加入去离子水中完全溶解形成B溶液，其中，每20mL去离子水中加入75-150mg过渡金属氰化盐。

所述过渡金属盐与过渡金属氰化盐的质量比为2:1-1:2。所述过渡金属盐可以为乙酸钴、乙酸镍、氯化铁、硝酸钴、硝酸镍等。所述过渡金属氰化盐可以为钴氰化钾、铁氰化钾等。

1.2)将A溶液以一定速率滴加至B溶液中，磁力搅拌30min，在室温下密封18h进行老化处理，老化后离心处理，所得沉淀经去离子水洗涤，干燥后，得到普鲁士蓝(PB)。