[发明专利]一种氮氧共掺杂分级多孔碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮氧共掺杂分级多孔碳材料的制备方法及其应用，属于活性碳材料制备领域。本发明以壳聚糖为起始碳源，以聚乙烯吡咯烷酮为掺杂物质，将壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮溶于酸性溶液中，加入一定量的硝酸钾，硝酸镁等无机盐致孔剂，将所得混合溶液冷冻成型，再将其冷冻干燥得到气凝胶，然后将所得气凝胶高温碳化，最后酸洗干燥得到活性碳材料，并将其应用于超级电容器中。本发明所得的多孔活性碳材料比表面积大，且含有氮，氧等杂元素，其制备工艺简单，具有较高的比电容和长的循环使用寿命，可用于超级电容器的电极材料中。

技术领域

本发明属于活性炭材料制备技术领域,具体涉及一种氮氧共掺杂分级多孔碳材料的制备方法及其在超级电容器上的应用。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能元件，架起了电池和传统电容器之间的桥梁。超级电容器的高功率密度弥补了电池功率不足的劣势，并且兼具传统电容器的超长循环寿命的特点，因此，超级电容器在储能领域受到越来越广泛的关注。现今，超级电容器的出现已经超过 50 年，在便携式电子设备、混合电力汽车和大规模工业设备中展示出很大的应用潜力并慢慢开始改变人类的生活，已经成为世界各国新型能源储存领域的研究热点之一。但是，超级电容器现在的发展任然受困于能量密度不高的问题，且长时间放电效率依然低于电池。因此，发展高能量密度和高功率密度的超级电容器对改善人类生活和推动能源领域的发展具有重要意义。

碳材料是所有超级电容器电极材料中研究最早、技术最成熟和工业化最成功的材料。至19世纪60年代Beck申请了活性碳作双电层电容器电极材料的相关专利以来，碳基超级电容器至今已有半个多世纪的发展历史。碳材料因其具有巨大的比表面积，热膨胀系数小，优良的导电导热性能，化学稳定性能好，密度低，价格低廉，制备简单方便等一系列优点，广泛应用于双电层超级电容器中。目前应用于超级电容器中的商业炭基电极材料主要包括：碳黑（carbon black）、碳气凝胶、活性碳（Activated carbon）、碳纳米纤维（ACF）、碳纳米管（CNT）、玻璃碳（GC）等。这其中又以碳气凝胶，碳纳米管和活性碳研究的比较深入和广泛。

活性碳材料作为超级电容器的电极材料仍然存在一些自生的缺点，如其孔径分布、孔隙分布、表面性质、表面官能团、杂原子掺杂等对超级电容器性能均有影响。对活性碳材料进行表面改性可有效提高其性能。

针对活性碳材料所存在的问题，本发明提供一种简单的制备含有氮氧杂原子掺杂的具有分级多孔活性碳材料的制备方法，及所制备碳材料在超级电容器上的应用。

发明内容

本发明针对现有的活性碳材料制备中所存在的问题，提供了一种氮氧共掺杂分级多孔碳材料的制备方法，且提出了其在超级电容器上的应用，为制备杂原子掺杂活性碳材料的制备提供了一种新思路。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种氮氧共掺杂分级多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1) 将壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮加入到酸性溶液中加热溶解，得到透明均匀壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮溶液。

(2) 在步骤(1)中所得到的壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮复合溶液中加入硝酸钾、硝酸镁致孔剂后得到均匀溶液。

(3) 将(2)中得到的均匀溶液在-23℃下冷冻8小时成型，然后将其在-48℃，20 Pa条件下冷冻干燥得到混合物气凝胶。

(4) 将(3)中所得的混合气凝胶放入管式炉中并在惰性气体下（氮气或者氩气）下高温处理，待其冷却至室温后用盐酸和无水乙醇反复洗涤至溶液呈中性，干燥后得到所述氮氧共掺杂分级多孔碳材料。

步骤(1)中所述的酸性溶液为盐酸或者醋酸溶液，浓度为1-10 vol%。壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮混合溶液中，壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的浓度分别为1-5 wt%和1-5 wt%。