[发明专利]一种氮掺杂多孔碳的电极活性材料的制备方法和应用

说明书

本发明涉及超级电容器技术领域，且公开了一种氮掺杂多孔碳的电极活性材料，海藻酸钠基体中引入大量的聚乙二醇分子链，在制孔活化过程中，聚乙二醇热裂解，可以作为制孔剂，使产生的孔隙结构和孔隙分布更加均匀，含氮量高的1,2,3‑三氮唑基团作为氮源，在高温碳化过程中，得到氮掺杂多孔碳，作为超级电容器活性电极材料，吡啶氮和吡咯氮可以提供良好的赝电容效应，通过电极材料的实际比容量，而石墨氮可以改善碳基体的电荷排布，提高导电性能，加速电子的传输和迁移，在协同作用下，使氮掺杂多孔碳的电极活性材料表现出更高的实际比电容和电容量保持率。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体为一种氮掺杂多孔碳的电极活性材料的制备方法和应用。

背景技术

随着在全球经济高速发展，化石能源消耗不断增加，能源危机和环境污染带来了严重的社会和环境问题，因此需要大力开发新型高效、清洁的可持续的新能源和储能装置，超级电容器具有能量密度高、功率密度大，使用寿命长、安全性能好、环境友好等特点备受关注，随着现代科技的进步，超级电容器也将向柔性和轻薄化的方向发展，

超级电容器的能量密度和功率密度主要取决于其电极材料，目前的超级电容器电极材料有金属氧化物、氢氧化物电极材料、导电聚合物电极材料等，而碳电极材料，如石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、多孔活性碳等，具有超高的比表面积，丰富的孔道结构，导电性能优异，化学稳定性和结构稳定性良好，具有良好的界面双电层电容效应，并且来源丰富，廉价易得，是最具有商业化发展的超级电容器电极材料，因此开发出电化学性能优异、比电容高、循环性能稳定的多孔碳负极材料成为研究热点，而通过在多孔碳基体中引入杂原子，如硫、氮、磷等，可以有效提高碳材料的电化学性质和实际比电容。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种氮掺杂多孔碳的电极活性材料的制备方法和应用，解决了传统的多孔活性碳电极材料的实际比容量不高的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氮掺杂多孔碳的电极活性材料：所述一种氮掺杂多孔碳的电极活性材料的制备方法如下所示：

(1)向四氢呋喃溶剂中加入聚乙二醇、叔丁醇钾，冰浴下进行反应，再加入溴丙炔，先冰浴反应，再室温反应，加入饱和氯化钠溶液进行萃取，取有机相减压蒸馏、干燥，得到端炔基聚乙二醇。

(2)向锥形瓶中加入稀氢氧化钠溶液和海藻酸钠，滴加对甲苯磺酰氯的乙腈溶液，冰浴下反应2-6h、过滤、乙醇洗涤、透析纯化，制得对甲苯磺酰基海藻酸钠。

(3)向锥形瓶中加入蒸馏水和对甲苯磺酰基海藻酸钠，再加入叠氮化钠和N,N-二甲基甲酰胺溶剂，在70-90℃下反应5-10h，真空干燥、乙醇洗涤、透析纯化，制得叠氮化海藻酸钠。

(4)向N,N-二甲基甲酰胺溶剂中加入、叠氮化海藻酸钠、端炔基聚乙二醇和催化剂硫酸铜、助催化剂抗坏血酸钠，在30-60℃下反应24-48h，真空干燥，乙醇洗涤，透析纯化，制得聚乙二醇交联海藻酸钠。

(5)将聚乙二醇交联海藻酸钠置于气氛炉中，进行制孔活化和碳化过程，制备得到氮掺杂多孔碳的电极活性材料，应用于超级电容器电极材料中。

优选的，所述步骤(2)中的海藻酸钠和对甲苯磺酰氯的质量比为100:80-120。

优选的，所述步骤(3)中的对甲苯磺酰基海藻酸钠和叠氮化钠的质量比为1:4-8。

优选的，所述步骤(4)中的叠氮化海藻酸钠、端炔基聚乙二醇、溴化亚铜和二乙烯三胺的质量比为100:150-250:0.3-0.8:0.5-1.2。

优选的，所述步骤(5)中的制孔活化过程为空气氛围，在0.1-0.3MPa的压力下，120-160℃，制孔活化20-40min。