[发明专利]一种制备超级电容器电极材料用含氮多孔炭材料的方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种制备超级电容器电极材料用含氮多孔炭材料的方法，属于电化学和新能源材料领域。

背景技术

气候变暖、环境污染和能源短缺是当前人类面临的重大挑战，研制绿色、可再生的能源存储器件是摆在人类面前的重要课题。超级电容器作为一种新型绿色能源存储器件，具有比传统电容器大得多的能量密度和比电池高得多的功率密度，在交通、移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域具有极其广阔的应用前景。例如，在高性能电动汽车方面，将超级电容器和电池、燃料电池并联，正常工作状态由电池提供能量，在需要脉冲能量时由超级电容器供给，从而可以延长电池的使用寿命，同时还可以储存系统中的过剩能量，使电源整体性能得以提高。根据储能机理的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器或者氧化还原电容器[2]。双电层电容器靠电极和电解液界面的双电层来存储电荷，其电极材料主要为高比表面积的炭材料。赝电容器靠电极活性物质发生快速可逆的氧化还原反应来存储电荷，对应的电极材料有过渡金属氧化物和导电聚合物。赝电容器具有高的比电容值，例如对于氧化钌水合物(RuO₂·nH₂O)[O.Barbieri，et al，J.Electrochem.Soc.，2006，153：A2049.]，其比电容可以达到920F/g，但贵金属高昂的价格限制了其在商业中的应用。廉价的过渡金属氧化物，例如电化学沉积的MnOx.nH₂O纳米材料[T.Shinomiya，et al，Electrochim.Acta，2006，51：4412.]，目前比容量可以达到～400F/g。导电聚合物具有价格低廉、电导率高的优点，但由其制备的电极材料循环寿命低。

对双电层电容器而言，其电容值正比于电极/电解液的界面，因此电极的性能受到炭材料表面积的限制，而且并不是所有的孔都对比电容有作用，只有电解液可到达的表面对电容的提高有作用[J.Chmiola，et al，Science，2006，313：1760.]。一般来说，对比表面积为1000m²/g的活性炭材料，其比电容可以达到150F/g[C.Vix-Guterl，et al，Carbon，2005，43：1293]。但总的来说，由于受比表面积的限制，炭材料的比电容值仍相对较低。除了进一步提高比表面积的手段外，对炭材料进行异相掺杂，引入氮或者氧官能团，可以赋予炭材料酸或者碱的特征，可使其兼具赝电容的性能，也是目前研究发展趋势之一。氧官能团一般是在活化过程中引入，使炭材料具有酸性的特征，即在炭表面引入了电子受体。例如，在比表面为273m²/g的炭材料中掺杂大量的氧原子，可以得到220F/g的比电容值[E.Raymundo-et al，Adv.Mater.，2006，18：1877]。氮官能团有碱的特征，即引入了电子给体。多孔炭经过氮化不但可以提高电子电导率，而且还可以提高其比电容，因为炭具有双电层电容，氮官能团还可以带来准电容。制备含氮多孔炭的方法有：在含氮元素气体的气氛下制备多孔炭，如氨气[K.Jurewicz，et al，J.Phys.Chem.Solids 2004，65：269]；或者采用含氮的碳前驱体制备多孔炭，如三聚氰胺[D.Hulicova，et al，Chem.Mater.2005，17：1241]，聚丙烯晴[F.Beguin et al Adv.Mater.2005，17：1241]，聚乙烯吡啶[E.Frackowiak，et al.Electrochim.Acta 2006，51：2209；F.Beguin，et al.Adv.Mater.2005，17，2380]等。

采用绿色的含氮的碳前驱体一氨基葡萄糖盐类，经过水热炭化和活化，可以得到具有适当的比表面积和含氮官能团的多孔炭材料，是理想的超级电容器电极材料，此种制备方法尚未见文献和专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备超级电容器电极材料用含氮多孔炭材料的方法。本发明以氨基葡萄糖盐酸盐或氨基葡萄糖硫酸盐为原料，通过水热法制备含氮多孔炭前躯体，然后把该前驱体与氢氧化钾混合，在惰性气体的保护下实现一步炭化和活化。所制备的含氮多孔炭兼备适当的比表面积和含氮量。电化学性能测试表明制备的含氮多孔炭具有较高的比电容、良好的倍率性和循环稳定性，是作为超级电容器的理想电极材料。

一种制备超级电容器电极材料用含氮多孔炭材料的方法，其工艺步骤为：