[发明专利]一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和在超级电容器中的应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和在超级电容器中的应用，该氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括：（1）以无水乙醇作为溶剂，加入镍盐、表面活性剂、氮源、酚醛树脂、正硅酸乙酯和稀盐酸并混合，得到溶胶，所述镍盐为硝酸镍、氯化镍和乙酸镍中的至少一种，所述氮源为双氰胺、氰胺、尿素和吡咯中的至少一种；（2）将所得溶胶静置规定时间后，再经干燥处理，得到凝胶；（3）将所得凝胶在700℃～1100℃下进行热处理后，再经刻蚀和清洗，得到所述氮掺杂多孔碳材料。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和在超级电容器应用，具体涉及一种利用氧化硅溶胶-凝胶制备氮掺杂多孔碳材料并提高碳材料氮掺杂浓度的方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

超级电容器是一类应用广泛的新型储能器件。目前被广泛使用的活性炭电极材料虽然有诸多优势但其能量密度较低，难以适应储能领域的需求。不久前，有研究者报道了一种基于有序介孔硅模板制备得到的有序介孔石墨烯材料，这种材料具有能与锂电池相比拟的能量密度，且同时可以实现快速充放电。但是这种基于有序介孔硅模板制备得到的有序介孔石墨烯材料在应用上也有诸多限制，如有序介孔硅模板本身成本较高，使用有序介孔硅制备有序介孔石墨烯材料工艺复杂且需要较长时间制备，同时这种方法的产量不高。

碳材料的比表面积、导电性以及氮掺杂是提高其电容性能的关键因素。首先，碳材料较高的比表面积能够提供更多的电解质离子吸附位点，因此有利于提高电容。其次，良好的导电性保证了电解质离子在孔道和电极表面的快速穿梭以及吸附-脱附过程，这对电容器在快速充放电时的容量影响重大。最后，一定量的氮掺杂可以通过电极表面可逆氧化还原反应进一步提供赝电容。尽管许多专利和文献已经报道了大量的多孔碳材料，但这些材料难以在上述三个方面均表现优异，因此容量受到较大的限制。为了使电极材料能够得到商业化的应用，其容量是最关键的一个参数。目前商用的活性炭材料容量仍然较低，难以满足实际需求。受限于上述提到的三个方面因素，目前很少有性能优异的碳材料能够实现实际应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，为了能够低成本制备比表面积大，导电性好，氮掺杂浓度高的碳材料，本发明提供一种氧化硅溶胶-凝胶法结合化学气相沉积制备高氮掺杂、高比表面积和高导电性的多孔碳材料，并使制得的碳材料具有优异的超级电容器性能，以满足储能领域的需要。

一方面，本发明提供了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括：

(1)以无水乙醇作为溶剂，加入镍盐、表面活性剂、氮源、酚醛树脂、正硅酸乙酯和稀盐酸并混合，得到溶胶，所述镍盐为硝酸镍、氯化镍和乙酸镍中的至少一种，所述氮源为双氰胺、氰胺、尿素和吡咯中的至少一种；

(2)将所得溶胶静置规定时间后，再经干燥处理，得到凝胶；

(3)将所得凝胶在700℃～1100℃下进行热处理后，再经刻蚀和清洗，得到所述氮掺杂多孔碳材料。