[发明专利]氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用；所述制备方法包括以下步骤：将坚果壳粉碎得到碳源；将碳源在空气中碳化，得到碳材料前驱体；将碳材料前驱体与活化剂混合活化；将活化后的碳材料前驱体在氨气环境中再次碳化，制得氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。本发明制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料具有优异的电化学性能，在电容器储能器件以及其他电极材料中具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用。

背景技术

生物质是指任何可再生或可循环的有机质，包括所有的动物、植物和微生物，以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机质，具有价格低廉、来源丰富、环境友好等特点。生物质是地球上最丰富的可再生有机资源储备，价格便宜且易于获得。因为它富含纤维素、半纤维素、木质素，而且无机杂质含量低，尤其适用于制备活性碳材料。

近年来，碳材料因为具有优异的导电性、良好的机械延展性、丰富的孔结构以及可以调节的比表面积等特点受到了广泛关注。目前，使用传统制备活性碳的工艺方法制造的活性碳，比表面积相对较小、孔分布较少、电化学性能不够理想，极大限制了高性能储能器件的发展。因此，由可再生的生物质材料制备高比表面积、孔隙发达、电化学性能优异的碳材料成为研究热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法及其应用，提高碳材料的比表面积，提高碳材料的导电性及电化学性能。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

一种氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将坚果壳粉碎得到碳源；

(2)将步骤(1)中所得的碳源在空气中碳化，得到碳材料前驱体；

(3)将步骤(2)中所得的碳材料前驱体与活化剂混合活化；

(4)将步骤(3)中所得的活化后的碳材料前驱体在氨气环境中再次碳化，制得氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。

作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，碳化温度为400-800℃。

作为优选的技术方案，：所述步骤(3)中，活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌、磷酸、氯化铝和氯化镁中的一种或几种。

作为优选的技术方案，：所述步骤(3)中，碳材料前驱体与活化剂的质量比为1:1-10。

作为优选的技术方案，所述步骤(3)中，活化温度为100-150℃，活化时间为1-3h。

作为优选的技术方案，：所述步骤(4)中，以1-5℃/min的升温速率升温至600-900℃的碳化温度，保持1-3h，然后冷却至室温。

作为优选的技术方案，所述坚果壳为瓜子壳、松仁壳、碧根果壳、开心果壳、核桃壳和花生壳中的一种或几种。

上述制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。

上述制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料在电容器储能器件中的应用。

上述制备方法制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料在电极材料中的应用。

本发明的有益效果：

本发明将坚果壳在空气中碳化，再活化，然后在氨气环境中再次碳化，制得氮掺杂薄层多级孔活性碳材料。该氮掺杂薄层多级孔活性碳材料的微观形貌为片层状，具有大量的且不同比例的微孔，极大的提高了比表面积及孔隙率，并且通过掺杂氮元素增强了碳材料的导电性，氮元素的掺杂还可能为碳材料带来赝电容，提升碳材料的电化学性能。因此，本发明制备的氮掺杂薄层多级孔活性碳材料具有优异的电化学性能，在电容器储能器件以及其他电极材料中具有广阔的应用前景。