[发明专利]一种三维弹性氮掺杂的碳泡沫复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种三维阶层结构的复合电极材料，具体来说是一种三维弹性氮掺杂的碳泡沫（NCF-RGO）复合电极材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的快速发展，能源与环境是人类可持续发展面临的两大主要问题。随着不可再生能源如石油、天然气、煤等慢慢枯竭，可再生的清洁能源得到快速发展。在新能源得到广泛发展的同时，也面临着急需解决的一个关键问题：如何有效地储存和转换这些能量，因此各种节省能源技术、环境技术的开发和利用以及洁净可再生的新能源技术受到了更为广泛地关注，如电动汽车、太阳能、风能和热能等。不管是电动汽车行业的发展还是二次能源的利用，寻找合适的储能装置是其中至关重要的环节。目前，超级电容器的储能技术得到越来越多的关注。电容器是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能器件，主要是通过物理机理来储存能量，具有超大容量、循环稳定性好、充放电快、高功率密度和对环境无污染等优点，现在在交通、军事、航天航空、电子器件等领域得到充分的利用，成为全球新能源领域的研究热点之一。

目前大多数的商业化的电极材料主要是碳材料为主，但是其循环稳定性差、充放电时间过长和比表面积过小等缺点，限制了其大规模的使用。石墨烯具有大的比表面积，容纳的离子量大，超强的导电性能和功率密度大。而氮掺杂多孔碳能提供用于容纳电荷的高表面积的多孔结构，掺杂氮的碳原子提供了增强的电解质润湿性和电子导电性，同时具有高循环能力，使得在电化学中有很好的应用前景。但是目前实验室所研究的掺氮多孔碳也有着一定的缺陷，巨大缺陷在制造过程中引入NCF的多孔碳骨架不可避免地阻碍电子转移和削弱其电化学活性。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种三维弹性氮掺杂的碳泡沫复合电极材料及其制备方法，所述的这种三维弹性氮掺杂的碳泡沫复合电极材料及其制备方法要解决现有技术中的掺氮多孔碳在制造过程中引入NCF的多孔碳骨架阻碍电子转移和削弱其电化学活性的技术问题。

本发明提供了一种三维弹性氮掺杂的碳泡沫复合电极材料，由氧化石墨烯与三聚氰胺海绵复合而成。

本发明还提供了上述的一种三维弹性氮掺杂的碳泡沫复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)室温下，将氧化石墨烯在超声条件下溶解于去离子水中，5-30分钟后得到氧化石墨烯分散溶液，氧化石墨烯的摩尔浓度为1-4mol/L；

2)将三聚氰胺海绵浸泡于步骤1）的溶液中，超声0.5-2h，使得氧化石墨烯分散于三聚氰胺海绵中；

3)将步骤2）所得样品干燥后，惰性气氛下热处理，在热处理过程中，先以4-6℃/min的速度升温至600-900℃，之后保温0.5-2个小时，然后自然降温，得到三维弹性氮掺杂的碳泡沫复合电极材料。

进一步的，步骤2）中，三聚氰胺海绵的体积为2 × 2 × 2 -5 × 5 × 5 cm³。

进一步的，步骤3）中，干燥温度为50-80℃，时间为3-6小时。

本发明以氧化石墨烯（GO）为碳源，三聚氰胺海绵（MS）为碳氮源，通过超声浸泡法，使得氧化石墨烯充分分散于MS中，之后高温碳化得到氮掺杂碳泡沫（NCF-RGO）。本发明采用超声与高温碳化处理法获得的三维弹性氮掺杂碳泡沫NCF-RGO复合材料，是一种分级多孔结构NCF-RGO组合，不仅具有大的比表面积、优异的的循环能力，而且碳氮掺杂使表面电荷储存快速反应，缩短了运输路径，是理想的能源材料之一，可用作电极材料。

通过本发明的方法得到的复合材料具有大的比表面积和多级孔结构，增大了材料与电解液的接触面积，有利于电子的快速传输；相对较高的氮含量，增加了反应活性位点，从而提高电子的吸附率；同时具有弹性三维骨架的三聚氰胺海绵材料具有良好的导电性能和循环稳定性，也不会对环境造成危害。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明充分利用了氧化石墨烯和三聚氰胺海绵的耦合作用，采用超声与高温处理法获得的NCF-RGO复合材料，其比表面积高达563.4 m² g^-1、且具有突出的循环能力，循环10000圈后，比容量仍然保持在96%。同时，碳氮掺杂可以使材料表面电荷储存快速反应，缩短运输路径，是理想的能源材料之一。

附图说明

图1是实施例1所得的NCF-RGO复合材料的扫描电镜图。

图2是实施例1所得的NCF-RGO复合材料的扫描电镜图。

图3是实施例2所得的NCF-RGO复合材料的扫描电镜图。