[发明专利]氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳电极材料的制备方法，具体步骤包括：A、3‑氨基苯酚‑3‑卤代苯酚‑甲醛树脂的制备；B、3‑氨基苯酚‑3‑卤代苯酚‑甲醛树脂的低温碳化；C、碳化后3‑氨基苯酚‑3‑卤代苯酚‑甲醛树脂的低温活化，本发明通过低温热处理实现了单一吡咯氮构型在碳材料中的掺杂，提高了氮掺杂活性位点在赝电容反应中的利用效率，同时降低了制备氮掺杂碳材料时的能源消耗，作为超级电容器电极材料应用时，氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳电极材料表现出高容量，典型的赝电容特征，良好的倍率性能和高循环稳定性特征。

技术领域

本发明涉及氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳电极材料的制备方法，属于电化学超级电容器技术领域。

背景技术

超级电容器作为一类新型储能装置，由于其高功率密度和长寿命等特点，受到了业界的广泛关注。而电极材料是影响超级电容器容量的关键因素，其结构和界面特性在增强比容量，循环稳定性，和倍率性能等电容性能方面起着至关重要的作用。通常可以将电极材料分为三类，碳材料，导电聚合物和金属氧化物。其中，碳材料由于其存在形式多样，良好的导电性，质量轻，充放电速度快，稳定性好和廉价易得等优点，成为当前最具前景的电极材料。然而，纯粹碳材料仅能表现出由比表面积决定的双电层电容，其容量依然有待提升（Science, 2013, 341, 534-537）。近年来，通过杂原子掺杂，尤其是氮掺杂能够为碳材料提供赝电容活性位点，能够有效提高碳材料的比容量，因此，开发氮掺杂碳材料成为超级电容器领域的研究热点（Advanced Science, 2017, 4, 1600408）。

对于碳材料而言，氮原子掺杂的方式一般分为原位掺杂和后掺杂（AdvancedFunctional Materials, 2013, 23, 2322-2328; Nano Lett, 2011, 11, 2472-2477），其中，原位掺杂方式通常是指采用含氮元素的小分子、聚合物或者生物质材料在碳化过程中将氮原子引入碳骨架中，得到化学结构稳定、掺杂位点均匀、掺杂量可控的氮掺杂碳材料（Advanced Materials, 2018, 1804394）。氮掺杂形式主要包括吡啶氮、吡咯氮和石墨氮这三种构型，其中，吡啶氮和吡咯氮可以作为赝电容位点提供容量（Science, 2015, 350,1508-1513）。然而，现有技术中，为了提高氮掺杂碳材料导电性，较高的碳化温度常常导致吡咯氮和吡啶氮向石墨氮的不完全转变（Electrochimica Acta, 2016, 205, 132-141;Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1, 6037-6042；ACS Appl. Mater.Interfaces, 2013, 5, 2241-2248），导致氮掺杂碳材料中赝电容位点占比下降，从而降低了含氮官能团在超级电容器应用中的利用效率。因此，开发单一吡咯氮、单一吡啶氮或者吡啶氮吡咯氮共掺杂的高容量碳材料成为当前碳电极材料的研究重点和研究难点。为解决这个问题，我们提出了一种氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳材料及其制备方法。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳电极材料的制备方法，合成完全具有赝电容活性的单一吡咯氮掺杂碳材料，提高氮掺杂活性位点在赝电容反应中的利用效率，开发具有高比容量和长循环稳定性的氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳电极材料。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳电极材料的制备方法，将3-卤代苯酚，3-氨基苯酚，六亚甲基四胺在常温搅拌，然后水热法聚合得到卤代酚醛树脂，经过水洗干燥，低温碳化，氢氧化钾低温活化，盐酸溶液洗涤、水洗干燥制得。

本发明技术方案的进一步改进在于：包括以下步骤：

A、将3-氨基苯酚、3-卤代苯酚和六亚甲基四胺按一定比例溶解到80 mL蒸馏水中形成混合溶液，室温下搅拌一段时间，将混合溶液转移到100 mL反应釜中，进行水热反应得到固体样品一，自然冷却至室温后，将固体样品一水洗至pH=7，干燥得到3-氨基苯酚-3-卤代苯酚-甲醛树脂微球样品；