[发明专利]氮掺杂石墨烯量子点/土元粉基多孔碳复合材料电极、其应用及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯量子点/土元粉基多孔碳复合材料电极、其应用及其制备方法，以土元粉作为前驱物，KOH作为化学活化剂，经过碳化处理和酸刻蚀制备活化的土元粉基多孔碳材料(AEPC)。通过电化学沉积法将具有高活性的氮掺杂石墨烯量子点(N‑GQDs)负载到以三维多孔的AEPC碳基骨架上，制备了N‑GQD/AEPC复合材料。本制备过程简单，制备出的N‑GQD/AEPC复合电极具有高电容性能，本发明方法制备的N‑GQD/AEPC材料在新能源纳米器件技术领域具有广阔的应用前景。所制备的电极电容容量、倍率性能、循环寿命、安全性较好，很好地克服了污染问题，拓展了碳复合电极生物法制备的途径。

技术领域

本发明涉及一种生物质型碳复合材料电极、其应用及其制备方法，特别是涉及一种氮掺杂多孔碳复合材料电极、其应用及其制备方法，应用于碳复合材料电极、器件技术领域

背景技术

生物质或其衍生物基的多孔碳材料因其来源丰富、无毒或低毒、孔道发达、导电性好、稳定性高、成本低、环境友好等出色的性能而引发能源领域研究学者们的广大关注。土元又名地鳖虫，由于其具有丰富的药用价值而为人所知，是市场上比较紧缺的中药材，但是常见部分野生及人工养殖的劣质土元粉无法被用于制药，因此为其开发一种合理有效的应用方法具有重要的研究意义。当前土元粉主要应用于饲料、食品等领域，很少有将其作为生物炭材料角度进行开发运用。专利申请号为200710017703.5的专利文献公开了一种超支化聚胺酯/镧/蒙脱土三元纳米复合材料的制备方法，该方法以超支化聚胺酯(HPAE)树形分子为有机相，包覆稀土粒子镧(La)，并与蒙脱土(MMT)发生插层复合而得，制备的超支化聚胺酯/镧/蒙脱土三元纳米复合材料，经TEM、TGA、DSC、UV-vis和FT-IR，测试结果表明，以超支化分子保护的稀土粒子La插入到蒙脱土层间，并均匀地以纳米级分布；其稳定性好、微观分布均匀、光学活性高，可应用于制备稀土永磁材料和荧光材料。但现有技术在涉及土元粉在碳材料开发运用中潜力远还没有被产业界关注，限制了土元粉的广泛运用。

石墨烯量子点(Graphene quantum dot,GQDs)是准零维的纳米材料，具有许多独特的性质，在光电器件、生物医疗、传感器等领域都有着应用前景。石墨烯量子点具有小尺寸组装优势、高比表面积、高导电性、高的化学稳定性、丰富的官能团、优良的溶剂分散性和轻的质量等特性。但现有的电极制备方法多采用化学合成方式，合成工艺复杂，并容易带来更多污染，环境适不友好，食品安全级别或生物安全级别的电极或者准全碳电极的开发成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种氮掺杂石墨烯量子点/土元粉基多孔碳复合材料电极、其应用及其制备方法，采用生物法制备电极，该方法原料易得，制备过程相对简单，环境友好的优点。所制备的电极电容容量、倍率性能、循环寿命、安全性较好，很好地克服了污染问题，拓展了碳复合电极生物法制备的途径。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

设计一种生物法制备氮掺杂石墨烯量子点/土元粉基多孔碳复合材料电极，采用氮掺杂的方法，将GQDs表面胺基功能化，开发GQDs的赝电容活性，提高其电容性能，作为活性材料应用于超级电容器。本发明以土元粉(Eupolyphaga Powder，EP)作为前驱物，以KOH作为化学活化剂，经过共碳化处理后，再用稀盐酸溶液刻蚀去除金属离子，制备出土元粉基的碳材料(AEPC)。采用碱催化水相分子融合法，制备高浓度氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)，通过电沉积将N-GQDs负载到土元粉基的碳材料(AEPC)多孔碳阵列上，构筑氮掺杂石墨烯量子点/土元粉基多孔碳(N-GQD/AEPC)复合电极，该电极为自支撑结构，主要由碳元素组成，是绿色、无毒且环境友好的电极材料。具有高功率密度、高能量密度和循环寿命长等优点，在超级电容器应用方面表现出突出的电容性能。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：