[发明专利]一种掺N多孔碳/NiO复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料、功能材料和矿物加工交叉技术领域，具体涉及一种掺N多孔碳/NiO复合材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器因能与蓄电池并联作辅助电源，弥补蓄电池在电动汽车的启动、制动和爬坡时功率的不足，起到平衡蓄电池负载、延长蓄电池使用寿命的作用，而被广泛研究。超级电容器的电极材料直接影响着超级电容器的性能，因此高比电容、高比功率和比能量、充放电稳定的电极材料的制备就成为解决问题的关键。目前，超级电容器的电极材料主要分为：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。前者是双电层电容储能机理，后两者是赝电容储能机理。其中，碳材料导电性和循环稳定性好、耐化学介质，价格低廉、但比电容和能量密度较低。金属氧化物比电容高，但导电性差，结构致密、电势窗口窄且价格昂贵。若将两者复合，可获得兼具双电层电容和赝电容特性、有更高比电容和能量密度、成本较低、综合性能良好的碳/金属氧化物复合电极材料。另外，碳材料的N、P、B等元素掺杂也可明显改善其电容性能。

目前商业化的电极材料主要集中于易工业化生产的多孔碳材料，主要有活性炭、活性炭纤维、碳纳米管、炭气凝胶和模板炭等。煤是含有大部分大稠环有机化合物和小部分无机矿物的混合物，由于来源丰富、成本低而被众多学者用于碳材料的制备。在煤的催化加氢直接液化工艺中，会伴生有一定孔结构的焦炭类副产品。若不加氢，直接对煤进行金属催化高温热解，可获得孔结构稍有改善但仍不理想的多孔碳主产品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种掺N多孔碳/NiO复合材料的制备方法。该方法以原位聚合的煤基聚苯胺为原料，来调节碳的孔结构，并同步实现N的掺杂。采用该方法制备的掺N多孔碳/NiO复合材料中N的掺杂量为1.422wt％～2.238wt％，掺N多孔碳呈现出以介孔为主，伴有部分大孔的孔结构特征，NiO以纳米片或纳米球的形态存在。采用该方法制备的掺N多孔碳/NiO复合材料作为活性电极材料，制备得到的掺N多孔碳/NiO电极材料在2.5A/g的恒电流密度下，其单极比电容可达280F/g以上，能量密度可达98Wh/kg以上，功率密度达2056W/kg以上。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种掺N多孔碳/NiO复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用原位聚合法制备煤基聚苯胺；

步骤二、将镍粉和步骤一中制备的煤基聚苯胺按照1:(1～2)的质量比混合均匀得到混合物，将所述混合物在氮气气氛下，温度为800℃～1000℃的条件下热解2h～3h，冷却后得到掺N多孔碳/Ni复合材料；

步骤三、将双氧水和浓度为3mol/L～4mol/L的硫酸按照1:(1～2)的体积比混合均匀，得到混合溶液A；

步骤四、将步骤二中所述掺N多孔碳/Ni复合材料加入步骤三中所述混合溶液A中，在80℃～90℃下搅拌处理5min～10min，然后用氨水调节搅拌处理后的混合溶液的pH值为7～8，接着在温度为80℃～90℃的搅拌条件下向调节pH值后的混合溶液中滴加尿素水溶液，滴加完毕后继续保温搅拌3h～4h，冷却后抽滤，洗涤抽滤得到的滤饼，再将洗涤后的滤饼在380℃～420℃条件下煅烧2h～3h，随炉冷却后取出，得到掺N多孔碳/NiO复合材料；所述混合溶液A的体积为掺N多孔碳/Ni复合材料的质量的10～20倍，其中质量的单位为g，体积的单位为mL；所述尿素水溶液中尿素与步骤二中镍粉的摩尔比为(3～5):1。

上述的一种掺N多孔碳/NiO复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述煤基聚苯胺的制备方法包括以下步骤：

步骤101、将苯胺、浓盐酸和水混合均匀得到混合溶液B，向所述混合溶液B中加入煤粉，在25℃～35℃下搅拌溶胀2h～3h，得到溶胀煤样；所述浓盐酸的体积为苯胺质量的1.5～3倍，水的体积为苯胺质量的2.5～6倍，其中体积的单位均为mL，质量的单位均为g；所述煤粉和苯胺的质量比为1:(1～2)；

步骤102、在0℃～5℃冰水浴中，在搅拌条件下向步骤101中所述溶胀煤样中滴加过硫酸铵水溶液，滴加完毕后继续在0℃～5℃的冰水浴条件下搅拌6h～8h，抽滤，洗涤抽滤得到的滤饼，然后将洗涤后的滤饼真空干燥后研碎，过筛得到煤基聚苯胺；所述过硫酸铵水溶液中过硫酸铵与步骤101中苯胺的摩尔比为1:1。

上述的一种掺N多孔碳/NiO复合材料的制备方法，其特征在于，步骤101中所述浓盐酸的质量浓度为37％。