[发明专利]一种二维硼氮掺杂生物质衍生碳纳米片的制备方法

说明书

一种二维硼氮掺杂生物质衍生碳纳米片的制备方法，涉及超级电容器电极材料技术领域，通过硼酸与福寿螺卵汁共结晶的方式形成夹层结构式前驱体。然后于氮气保护下进行碳化处理，将得到的混合材料在去离子水中去除B₂O₃模板，最终获得硼氮掺杂的高缺陷碳二维纳米片。本发明通过生物质大分子与硼酸间的氢键作用力自组装为二维结构，在随后的碳化中硼酸分解形成的气体也促进了碳材料的活化。此外，作为模板的硼酸可以通过水溶的方式循环使用，达到绿色环保的目的。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域。

背景技术

自21世纪以来，全球经济急速发展导致的化石燃料的快速消费和严重的温室效应，已成为人类社会可持续发展的主要问题。高效的能源存储设备在建设低碳经济和可再生能源利用方面发挥着关键作用。超级电容器作为一种重要的储能设备，受到了学术界和工业界的广泛关注。与依赖插入机制的商用可充电电池相比，超级电容器具有多种优点，如高功率密度，优异的倍率性能，长寿命和快速充电/放电。这是因为其电荷存储机制是基于电极材料表面吸附等反应，而没有受离子扩散限制的缓慢反应。因此，超级电容器可以通过提供备用电源和防止电源中断来补偿电池或燃料电池的储能功能，这是军事用途，电动汽车，智能仪器和便携式电子设备的重要补充设备。

一般而言，超级电容器具有两种主要类型的电荷存储机制，即双电层电容器和赝电容器，其中双电层电容器的电容是由纯静电荷聚集在电极与电解质的界面处而产生的，而赝电容的电容是由于活性电极材料中快速且可逆的氧化还原反应而产生的。双电层电容器通过外部负载充电时，电解质中的阳离子向负电极移动，电解质中的阴离子向正电极移动，而电子通过外部电路从负电极移动到正电极，并且双层电容在与电极的界面处形成。充电完成后，正电极和负电极分别从电解质处彼此吸引阴离子和阳离子，并使电极表面的双层稳定。放电过程与充电过程恰好相反。因此，碳材料由于其比金属高的表面积允许在其存储更多的能量而备受关注，如石墨烯、CNT和其他碳纳米结构。

基于生物前驱体的活性炭（AC）提供了取代传统化石燃料衍生碳的研究机会，例如木材、洋葱、法国梧桐絮、鱼鳞和柳絮等。这些丰富的地球资源价格便宜，可以自然生产。通过适当的物理或化学活化过程，所得的AC可以拥有理想的分级多孔结构（宏孔、中孔和微孔），这对增强电容和良好的倍率能力具有积极作用。生物质作为碳前驱体转化为具有分层结构和多孔骨架特征的活性炭，从而提高碳材料的密度并减轻多孔分层材料的堆积/聚结，这对于双电层电容器来说是极好的电极材料。生物质作为一种绿色的可持续资源，具有独特的固有结构和丰富的杂原子组成（例如O、N和S），有利于制备具有独特的多孔结构和富含杂原子的表面官能团的碳。特殊的孔结构可以为快速的离子存储和扩散提供丰富的活性位点，以实现出色的比电容和速率能力。同时，表面氧化还原反应可有助于杂原子官能团产生额外的假电容。

此外，通过掺杂可以进一步改善生物废物衍生的AC的电化学性能。杂原子的掺杂剂，如氮（N）、硫（S）、硼（B）和磷（P）已被视为一种有效的策略，以促进相邻的碳原子的电子性质。由于其不同的电负性，这些杂原子不仅改变电子分布，而且可以形成表面官能团。此外，杂原子掺杂可以通过诱导缺陷，增强孔隙率和优化碳夹层来协同提高电荷存储能力。碳骨架中的杂原子掺杂可以提高表面化学反应性，并获得更高的电容性能。源自生物质的氮掺杂分级多孔碳，具有良好的电容性能和高倍率性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超级电容器的二维硼氮掺杂生物质衍生碳纳米片的制备方法。

本发明技术方案是：将硼酸和福寿螺卵汁在去离子水中均匀混合，并通过低温结晶的方式获得结晶固体，将结晶固体干燥后在氮气保护下进行碳化处理，得膨胀的碳复合材料，将膨胀的碳复合材料在去离子水中溶解去除B₂O₃模板，得二维硼氮掺杂生物质衍生碳纳米片。

本发明的有益效果：

1、本发明打破了常规生物衍生碳对生物质天然结构的依赖性，并且构筑出高纵横比的二维形貌的二维硼氮掺杂生物质衍生碳纳米片。