[发明专利]一种基于瓜环聚合物氮掺杂多孔碳材料、制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于瓜环聚合物氮掺杂多孔碳材料、制备方法和应用。将六元瓜环与氯化钡水溶液在室温下混合，制备瓜环配位聚合物；随后将瓜环配位聚合物进行煅烧碳化，煅烧温度为400～1500℃；最后将碳化所得产物经酸或水洗涤后烘干，即得到多孔碳材料。所述多孔碳材料为以瓜环聚合物为模板且掺杂有氮元素的分层多级孔碳材料，其拥有次纳米孔和介孔的孔径分布，将其与特殊的电解液MMIMBF₄制备成超级电容器后，因孔径大小与电解液离子大小相近的缘故，因此使得制备的超级电容器拥有超高的能量密度。并且由于多孔碳材料结构稳定，使得所制备的超级电容器拥有循环稳定性强，倍率性能好等特点。

技术领域

本发明属于多孔碳材料领域，具体涉及一种基于瓜环聚合物氮掺杂多孔碳材料、制备方法和应用。

背景技术

在飞速发展的当今社会，随着全球工业化水平的提升，能源短缺以及日益衰竭的问题日渐严重，这亦成为影响发展的一大隐患。随着天然气、石油、煤炭的不可再生能源的不断消耗，人们逐渐意识到化石能源并不是支持长期发展的能源。另外，再加上化石能源燃烧所带来的的环境污染等问题，使得发展与能源供应二者矛盾越发尖锐。新能源的发展已成为不可逆转的趋势，近年来，新能源储能设备的发展与研究日益强大。

超级电容器因其高功率密度，使用温度范围广，寿命长等特点而备受关注。其在电动汽车、微机的备用电源、飞机的点火装置等方面具有广阔的应用前景。其中双电层电容器稳定性良好，成本低廉，是具有工业化、商业化前景的电极材料。但由于静电双电层储能机理的限制，使得碳基超级电容器的发展缓慢，通常仅拥有5-10Wh kg^-1的能量密度。

碳基电容器的主要储能方式为电解液进入碳材料的孔洞中，引发的静电储能，因此碳材料的孔隙率是影响其储能能力的关键因素。传统的提高碳基电容器储能能力的方法多为大幅度提高材料的比表面积。但这种方法已被证实，当材料比表面积过大时(通常大于2000m²g^-1)，碳电极的比电容与比表面积是不成正比，有时候因为高比表面积导致材料电导率降低，反而使得材料的储能能力下降。

提升碳材料储能能力的另外一种方法则是引入杂原子的掺杂，但通常引入率都不是很高。并且，高温下使用活化等方式制备的多孔材料极易造成材料中所需引入的掺杂原子大量损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种基于瓜环聚合物氮掺杂多孔碳材料、制备方法和应用，解决了上述背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种基于瓜环聚合物氮掺杂多孔碳材料的制备方法，将六元瓜环与氯化钡水溶液在室温下混合，制备瓜环配位聚合物；随后将瓜环配位聚合物进行煅烧碳化，煅烧温度为400～1500℃；最后将碳化所得产物经酸或水洗涤后烘干，即得到多孔碳材料。

具体包括如下步骤：

1)在室温下，将六元瓜环CB[6]与氯化钡水溶液在浓度为3～12M的浓盐酸中混合，持续搅拌3～5h，生成的白色沉淀；将白色沉淀经酸和/或去离子水洗涤，于50～70℃下烘干10～12h，得到瓜环配位聚合物；

2)将步骤1)制备的瓜环配位聚合物于管式炉中，惰性气氛下进行煅烧，煅烧温度为500～900℃，得到自热解产物；

3)将自热解产物经酸和/或去离子水洗涤，于50～70℃下烘干10～12h，得到多孔碳材料。

在本发明一较佳实施例中，所述六元瓜环与氯化钡的物质的量比为3～5：15～25。

在本发明一较佳实施例中，所述惰性气氛包括Ar或者N₂。