[发明专利]微爆炸法制备生物衍生多孔碳及其在超级电容器中的应用

说明书

本发明提供了一种微爆炸法制备生物衍生多孔碳材料的方法。通过使用低价，来源广泛且可再生的海洋藻类作为前驱体，采用爆炸活化技术路线制备的多孔碳材料表现2253 m²g^‑1超高的比表面积，低的串联电阻，以及硫和氮元素掺杂。通过调控碳材料的形貌结构，控制材料的孔径1‑50 nm。将其用作超级电容器电极，在离子液体EMIMBF₄中表现出优异的电化学性能，电流密度为1 A g^‑1时具有228 F g^‑1的高比电容，即使在10 A g^‑1的高电流密度下，仍然具有173 F g^‑1的比电容，在20 kW kg^‑1的功率密度下其能量密度可以达到41 Wh kg^‑1。此外，10000次循环后具有出色的可逆性，循环效率80％。本发明技术路线步骤简单、操作方便、实用性强，为开发高性能的电极材料提供了一种新的绿色环保的技术路线。

技术领域

本发明属于电化学储能器件领域，特别涉及一种采用微爆炸活化法调控海洋藻类衍生多孔碳纳米材料的形貌结构，以及在超级电容器方面的应用研究。

背景技术

随着全球经济的快速发展和化石燃料的快速消耗，能源危机将不可避免。迫切需要寻求清洁可再生能源并且需要可持续的储能技术来有效利用能源。在各种能量转换和存储设备中，超级电容器的快速发展已经引起了工业界和学术界的广泛关注。超级电容器比常规电容器具有更多的优势，例如高功率密度，快速充电/放电，长循环寿命和低的维修成本，但是超级电容器的能量密度较低限制其商业应用。

为了实现超级电容器的高能量存储，低成本的碳基电极材料以及其他吸引人的特性（如环境友好性和可扩展性）被认为是极好的候选材料。影响碳电极材料电容性能的主要因素有：可用于吸附/解吸离子的高比表面积，合适的孔结构以促进离子扩散和传输，适度的杂原子掺杂可提高电解质的润湿能力和电容性能，连续的整体结构会降低界面接触电阻并提高本征电导率，以及其他表面特性。目前常见的水性电解质（KOH，H₂SO₄等）严重限制了器件的电压窗口，进而限制了超级电容器的能量密度。离子液体电解质具有宽的电压窗口以及工作温度，离子液体电解质的使用将是获得高性能超级电容器的重要途径之一。因此，为了满足未来电子设备的需求，低成本，高能量密度的碳基超级电容器的发展，必须寻找一种与之匹配的新型碳电极材料。

本发明基于海洋藻类卡拉胶作为前驱体，具有来源广泛，低成本，绿色环保可再生的优点。采用一种简单，低成本，无污染的爆炸活化技术路线制备多孔碳材料，实现了对碳材料形貌结构的调控以及杂原子的掺杂。将其应用于超级电容器电极材料，表现出优异的电化学性能。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是用海洋藻类卡拉胶作为前驱体，利用简便的微爆炸活化技术制备多孔碳纳米材料并对其进行形貌结构的调控。最终，将其用作超级电容器的电极材料，研究其电化学性能

为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：

取适量的卡拉胶粉末，柠檬酸钠和硝酸钠溶解在去离子水中，对其加热并且冷却至室温，发生溶胶-凝胶变化。将其放入冰箱中冷冻数小时，之后取出样品，对其进行冷冻干燥处理，获得卡拉胶气凝胶的样品。将所得的样品放置于管式炉中，通入氩气保护，对其进行高温退火处理，高温碳化过程中爆炸活化处理对材料的形貌结构以及元素掺杂起到了重要作用。待样品冷却至室温后取出，用去离子水冲洗多次，洗掉多余的杂质和无机盐，放入真空烘箱中干燥。最终将得到黑色粉末样品，用作为超级电容器的电极材料，并且在离子液体中研究其电化学性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1) 柠檬酸钠和硝酸钠作为爆炸活化剂，反应释放出大量的热量，这会引起很大的应力，使石墨片破碎，增加了边缘部位暴露更多的活性位点，并在石墨片上实现了原位的O，S官能化；