[发明专利]一种用于超级电容器电极的氮、硼掺杂多孔炭及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器电极的氮、硼掺杂多孔炭及其制备方法，属于能源材料及应用技术领域。本发明是以天然芦苇杆为碳源，分别以氮肥和硼肥作为氮源和硼源，经炭化活化工艺制得。本发明所制得的氮、硼掺杂多孔炭兼具微孔和中孔的分级三维孔隙结构，孔径主要分布在1～5纳米，比表面积为1400～1700平方米/克，掺氮原子比为6～8％，掺硼原子比为2～4％。作为超级电容器电极材料时，其在1安/克的电流密度下具有225～250法拉第/克的比电容，循环5000次充放电后，电容保留高于95％，在500瓦/千克的功率密度下具有30～35瓦时/千克的能量密度。

技术领域

本发明属于能源材料及应用技术领域，具体涉及一种用于超级电容器电极的氮、硼掺杂多孔炭及其制备方法。

背景技术

多孔炭由于具有比表面积大、孔隙结构可调整、化学稳定性好和成本低等优势成为超级电容器的首选电极材料。超级电容器中多孔炭电极主要是在电极/电解液界面形成双电层来储存能量，因此，高效储能的活性炭材料应当具备有利于电荷积累的大比表面积和便于电解液润湿及离子快速迁移的孔隙结构。研究发现，杂原子掺杂的多孔炭较传统多孔炭具有更加优异的电化学性能。

制备多孔炭所采用的原料是多样的，有机小分子、聚合物、石油焦、天然产物等均可以作为碳源。

例如申请号为201310297709.8的专利公开了一种利用配合物水杨酸盐制备超级电容器用多孔炭的方法，制得的多孔炭具有高达2000平方米/克的比表面积，电容性能良好，但是原料成本高昂，制备工艺繁琐，结构不易控制，难以得到规模化应用。

例如申请号为201410508582.4的专利公开了一种多孔炭材料的制备方法，具体涉及一种利用难回收再生的耐高温聚合物薄膜边角料制备多孔炭电极材料的方法，虽然采用廉价的聚合物薄膜边角料为碳源，制得的多孔炭比表面积为1000～2000平方米/克，但是导电性不好，比电容只有160～180法拉第/克，不利于商业化应。

例如申请号为201410506124.7的专利公开了一种超级电容用多孔炭的制备方法，采用石油焦、丙烯酸树脂等为原料，经高温活化后制得多孔炭，其比表面积为1700～1900平方米/克，但是比电容为120～190法拉第/克，仍处于低水平，限制了多孔炭的广泛应用。

例如文献Chen H,Xiong Y,Yu T,et al.Boron and nitrogen co-doped porouscarbon with a high concentration of boron and its superior capacitivebehavior[J].Carbon,2017,113:266-273.报道了一种以苯酚和甲醛为原料，三聚氰胺和硼酸为氮源和硼源，再以二氧化硅为模板，经多步处理工艺后制备了具有分级结构的氮、硼共掺杂的多孔炭，虽然具有189～304法拉第/克的比电容，但是其比表面积较低，仅有648平方米/克，并且使用的苯酚和甲醛等有毒性的化学试剂，易对环境造成污染，不符合清洁能源的发展趋势。

在众多可以作为制备多孔炭的原料中，天然产物因其分布广泛、廉价易得等优点而被广泛的推广开来。

例如申请号为201510611801.6的专利公开了用柿果皮制备超级多孔炭材料的方法，采用柿果皮为原料，经碳化、活化后制得多孔炭，比表面积为1186平方米/克，但是该材料的电化学活性低，不适宜作为超级电容器电极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种可应用于超级电容器电极材料的，具有质地轻、比表面积大、孔隙分级以及电化学活性高的氮、硼掺杂多孔炭及其制备方法。