[发明专利]一种杂原子掺杂多孔碳电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种杂原子掺杂多孔碳电极材料的制备方法，制备方法为：将丙烯酰胺、N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺、海藻酸钠、含杂原子的共聚单体和水以质量比0.02～0.1:0.002～0.015:0～0.02:0～0.1:1混匀，得到混合溶液，通氮气除氧后，加入引发剂进行反应，得到水凝胶；将水凝胶冷冻干燥，得到干凝胶，将干凝胶进行碳化，再经过水洗及干燥，即得杂原子掺杂多孔碳电极材料。本发明使用丙烯酰胺和含有杂原子的共聚单体为反应物，N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，海藻酸钠为反应体系黏度调节剂，制备方法简单，碳化和杂原子掺杂一步完成，制备的多孔碳电极材料中杂原子种类和含量可控，具有优秀的电容性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种超级电容器用杂原子掺杂多孔碳电极材料的制备方法。

背景技术

随着全球化石能源的逐渐枯竭和环境问题的日益严峻，新能源的开发利用引起了世界各国的高度重视。高效的能源存储和转换器件是新能源利用的关键，因此超级电容器、燃料电池、锂电池等新型电化学能源器件成为目前的研究热点。在这些电化学能源器件中，电极材料是影响性能的关键因素。

多孔碳材料因其巨大的比表面积、可调的孔结构、良好的导电性，以及对多种氧化还原反应具有更多的电化学活性位点而被认为是最有潜力的电极材料。目前，多孔碳材料发展的重点集中在孔结构的调控和杂原子掺杂两个方面，这也是影响多孔碳材料应用性能的根本因素。杂原子掺杂是提高多孔碳电极材料性能的有效方法。例如，多孔碳中掺杂适量的N、B、P、S等杂原子，利用杂原子的氧化还原反应所形成的赝电容可以提高多孔碳材料的比电容，杂原子的掺杂还可提高导电性、改善碳材料表面的可润湿性，进一步提高了碳材料的电容性能。在电催化中，将具有不同电负性的非金属杂原子掺杂到碳电极材料中，可以破坏碳sp2杂化轨道的电中性，引起周围碳的电子的重新分布，从而改善电催化性能。

目前，杂原子掺杂多孔碳的研究十分活跃，杂原子掺杂主要有原位掺杂和后处理掺杂两种方法。原位掺杂是指将富含杂原子的碳前驱体直接高温碳化，一步得到杂原子掺杂的多孔碳；后处理掺杂是通过对多孔碳进行浸渍、氧化处理，或将多孔碳置于含有杂原子的气体中，如氨气，在高温下反应得到杂原子掺杂多孔碳。原位掺杂有利于将杂原子均匀结合到多孔碳中，但目前适合用于制备原位掺杂多孔碳的前驱体较少，同时含有2种不同杂原子的前驱体更少。后处理掺杂过程一般比较繁琐、耗时，通常只是将多孔碳表面功能化而不改变其本体结构。因此，开发过程简单易控的杂原子掺杂多孔碳的制备新方法仍是一项具有挑战性的课题。

发明内容

本发明的目的是解决上述不足，提供一种杂原子掺杂多孔碳电极材料的制备方法。

一种杂原子掺杂多孔碳电极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、海藻酸钠、含杂原子的共聚单体和水混合均匀，得到混合溶液，通氮气除氧后，加入引发剂引发聚合反应，得到水凝胶；

(2)将水凝胶冷冻干燥，得到干凝胶，将干凝胶进行碳化，再经过水洗及干燥，即得杂原子掺杂多孔碳电极材料。

步骤(1)中，所述丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、海藻酸钠、含杂原子共聚单体和水的质量比为0.02～0.1:0.002～0.015:0～0.02:0～0.1:1，更优选为0.03～0.06:0.002～0.008:0.008～0.012:0.03～0.06:1。

进一步，步骤(1)中，所述含杂原子的共聚单体选自3-(4-吡啶基)丙烯酸、3-(2-噻吩基)丙烯酸、4-乙烯基苯硼酸或磷烯醇丙酮酸环己铵盐中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。

进一步，步骤(1)中，所述引发剂的用量为丙烯酰胺与含杂原子共聚单体总质量的1-6％。