[发明专利]一种二维含氮多孔炭材料的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种二维含氮多孔炭材料的制备方法，属于超级电容器电极炭材料领域。

二、背景技术

超级电容器作为一种新型储能装置，是一种介于传统电容器和充电电池之间具有快速充放电的新型功率型能源存储设备，具有高功率(10kW·kg^–1)、循环寿命长(可达10万次以上)、充放电快速快和安全性高等特点，在航空航天、电源供应、存储备份系统以及先进的汽车等方面都有很广阔的应用前景。

电极材料是超级电容器的关键，它决定着超级电容器的主要性能指标。活性炭粉、活性碳纤维、碳凝胶、模板炭等各种多孔炭材料用作超级电容器电极材料的研究都有报道。模板炭由于具有孔径大、孔尺寸可调、比表面积高等特点，用作超级电容器的电极材料倍率性能突出。自Ruoff等于2008年首次报道了石墨烯的电容性能后，这种具有二维纳米结构、高电导率的新型炭材料在超级电容器领域的应用迅速受到关注，成为当前研究的一个热点。

此外，通过一定技术手段，使得炭材料能够掺杂若干含量的氮杂质，也是非常有必要的。该类氮杂质可以在电极内产生典型的赝电容，结合炭材料自身的双电层电容(EDLC)，能够显著提高超级电容器的性能。

对二氯苯为白色晶体，易升华，有刺激性气味，是重要的有机合成原料，用于合成染料(大红色基GG)及农药中间体，用作熏蒸杀虫剂，织物防蛀剂，空气脱臭剂，65％～70％用于制造卫生球，少量用于特压润滑剂，腐蚀抑制剂。但是，就对二氯苯废料而言，其在自然环境条件的降解较为缓慢，对环境特别是人体的危害非常巨大，能够产生系列不可逆的损伤，因此，如何有效的资源化利用对二氯苯废料是一个重要的研究课题。

发明专利CN102956876A提供一种热解硬炭材料及其制备方法和用途。该热解硬炭材料为对硬炭前驱体热解形成的、具有平均厚度1-200nm、几何表面积10-2000m²/g的类似二维平面的薄片材料，所述热解硬炭材料内部存在微孔或中孔。但是，该专利涉及的二维片状结构处于微米尺寸，未能达到纳米尺寸。

三、发明内容

本发明旨在提供一种二维含氮多孔炭材料的制备方法，是以对二氯苯废料为碳源、纳米片状Mg(OH)₂为模板、偶氮二甲酰胺为氮源，通过模板炭化法控制合成二维含氮多孔炭材料，本方法操作简便、超电容性能优异、易于规模化工业生产。

本发明二维含氮多孔炭材料的制备方法包括如下步骤：

按质量比1:0.5-3:0.5-5的比例称取对二氯苯废料、纳米片状Mg(OH)₂和偶氮二甲酰胺粉体，研磨后得到混合物，将所述混合物移至水平管式炉瓷舟中，通入氩气30min，随后将水平管式炉以5～20℃/min的升温速率加热到700-900℃，并在氩气气氛中保温2～8h；将所得产物放入1mol/L盐酸溶液中浸渍，以除去可溶和不可溶杂质，抽滤后用去离子水洗涤至中性，收集黑色沉淀物，于120℃真空干燥12h，即得二维含氮多孔炭材料。

实验电极的制作：

以乙醇为溶剂，将80质量份的炭材料样品、15质量份的乙炔黑和5质量份的聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂混合均匀得到混合物浆液，随后在20MPa压力下将该混合物浆液压到集流体泡沫镍上，随后在120℃下真空干燥24小时，即得炭材料电极。

电化学性能测试：

在三电极体系中，以铂电极(6cm²)为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极、炭材料电极为工作电极，利用KOH溶液(6mol/L)为电解液。采用电化学工作站进行循环伏安、恒流充放电及交流阻抗等电化学测试。

本发明通过调控对二氯苯、纳米片状Mg(OH)₂和偶氮二甲酰胺的质量比、炭化温度和升温速率等因素，合成二维含氮多孔炭材料。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明以对二氯苯废料为碳源，能够有效提高其资源化利用程度。

2、本发明以纳米片状Mg(OH)₂为模板，可以在炭化过程中保持其片状纳米结构，从而得到二维炭材料。

3、本发明以偶氮二甲酰胺为氮源，能够显著提高炭材料的含氮量。

4、本发明所得到的二维含氮多孔炭材料具有比电容高、循环性能好等特点，在1A/g的电流密度下，充放电比电容可达312.3F/g。循环5000次之后，充放电比电容保持率高达98％。