本發明專利技術提供了一種鹽模板法制備多孔氮碳復合物的方法及其在超級電容器中的應用，包括以下工藝步驟：1)將鄰苯二胺單體分散在水中，攪拌使其混合均勻，在低溫水浴中繼續攪拌，加入聚合引發劑，攪拌將引發劑混合均勻，反應完成后，抽濾，真空干燥，得聚鄰苯二胺基體；2)將聚鄰苯二胺基體與氯化鈉，氯化鋅混合均勻，置于管式爐中，在氮氣保護下，高溫熱解，得氮碳復合物與鹽混合物。3)將氮碳復合物與鹽混合物研磨，酸洗，水洗，去除鹽模板，干燥后得多孔氮碳復合物。此制備方法簡單，溫和，制得的多孔氮碳復合物活性高，比表面積大，價格低廉，組裝成的電容器有較大的比電容值。因而可在低成本的基礎上實現超級電容器。
【技術實現步驟摘要】
鹽模板法制備多孔氮碳復合物及其在超級電容器中的應用
本專利技術提供了一種鹽模板制備多孔氮碳復合物的方法；同時還涉及其在超級電容器中的應用。
技術介紹
超級電容器是介于傳統電容器和二次電池之間的一種新型儲能裝置，其容量可達幾百至上千法拉。與傳統電容器相比，它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命；與蓄電池相比，它又具有較高的功率密度和更好的循環壽命，且對環境無污染。因此，超級電容器是一種應用前景廣闊的化學電源。目前，已經有許多文獻報道氮摻雜碳材料用作超級電容器電極材料。Zhao等人(Adv.Mater.,2010,22,5202-5206)使用D-氨基葡萄糖作為前驅體，以氫氧化鉀作為致孔劑，利用水熱法制備多孔氮摻雜碳材料，在6mol·L-1氫氧化鉀電解液中，其比電容可增大到220F·g-1。Wu等人(J.Am.Chem.Soc.,2012,134,19532-19535)采用二氧化硅作為模板，制備了一種氮摻雜石墨烯氣凝膠，其比表面積達295m2·g-1，比容量達226F·g-1。李莉香、陶晶等人(ActaPhys.-Chim.Sin.,2013,29(1),111-116)利用苯胺原位化學聚合合成聚苯胺包覆碳納米管，再炭化處理制備氮摻雜碳納米管。這種氮摻雜碳納米管在6mol·L-1氫氧化鉀電解液中的比容量可增大到205F·g-1。本專利技術利用鹽模板法制備多孔氮碳復合物，其含氮量高，又具備較大的比表面積(370.59m2·g-1)和優良的超級電容器性能(比電容可達364.93F·g-1(掃速2mV·s-1))，是一種理想的超級電容器的電極材料。同時，與其他多孔氮摻雜碳材料的制備方法相比，采用鹽模板法制備多孔氮碳復合物，制備工藝簡單、前驅體價格便宜，產物純化簡單，因而更容易實現規模化生產。
技術實現思路
技術問題：本專利技術的目地在于提供了一種鹽模板法制備多孔氮碳復合物的方法及其在超級電容器中的應用。技術方案：本專利技術的鹽模板制備多孔氮碳復合物的方法，包括以下步驟：1)根據現有技術制備聚鄰苯二胺基體；2)將聚鄰苯二胺基體與低熔點無機鹽混合物在溶劑中均勻混合，置于管式爐中，在氮氣保護下，高溫熱解，得氮碳復合物與鹽混合物；3)將氮碳復合物與鹽混合物研磨，酸洗，水洗，去除鹽模板，干燥后得多孔氮碳復合物材料。其中：所述的步驟1)中，將鄰苯二胺單體分散在水中，聚合引發劑為過硫酸銨；引發劑與鄰苯二胺單體總量的質量比為1:1～1:2；聚合反應的時間為12～24h；抽濾時用5％～10％的氨水和二次蒸餾水洗滌數次；反應后干燥的溫度為80℃；所述的步驟2)中，聚鄰苯二胺基體與低熔點無機鹽的質量比為1:1～1:15，低熔點無機鹽的組成為氯化鈉與氯化鋅；氯化鈉與氯化鋅的摩爾比為1:1～1:6。聚鄰苯二胺基體與低熔點無機鹽混合時，溶劑為水、乙醇、丙酮或N-甲基吡咯烷酮，使用超聲混合，混合時間為5～10min。高溫熱解的溫度為500～1000℃；升溫速度為0.5～5℃·min-1；恒溫時間為2～3h。所述的步驟3)中，將氮碳復合物與鹽混合物研磨，去模板時使用濃鹽酸和二次蒸餾水洗滌數次；干燥溫度為50～90℃；干燥時間為12～24h。采用本專利技術方法制備的多孔氮碳復合物用于超級電容器的電極材料時，將多孔氮碳復合物分散在二次蒸餾水中，濃度為1～5mg·mL-1；滴加在玻碳上，室溫下干燥器中干燥2h后，在其表面滴加濃度為0.05wt.％的Nafion乙醇分散液，室溫下干燥器中干燥2h，制得修飾后的超級電容器電極。有益效果：氯化鈉與氯化鋅是兩種常見的無機鹽，兩者都具有較好的穩定性，按一定比例混合后，能夠形成低熔點的固溶體。具有梯形吩嗪環狀結構。在高溫下，氯化鈉與氯化鋅熔化，在聚鄰苯二胺(PoPD)中形成較大的孔隙以及大量的滲流結構，從而達到致孔的目的。同時，PoPD熱解碳化，形成具有氮原子摻雜的多環共軛大分子結構的氮碳復合物。通過調節PoPD與混鹽質量比的不同，或者加入表面活性劑(如十二烷基苯磺酸鈉)可以進一步調節形成孔隙的大小。此外，PoPD在熱解過程中會釋放出小分子氣體，因此在材料表面會形成較小的孔隙。在鹽模板與小分子氣體的相互作用下，最終形成的產物具備大孔洞中包含小孔隙的結構，其比表面積得到了進一步提高。本專利技術制備的多孔氮碳復合物材料作為超級電容器的電極材料具有方法簡單溫和，成本低廉，性能優異，性質穩定的優點。附圖說明圖1為多孔氮碳復合物的SEM圖，圖2為多孔氮碳復合物在6M氫氧化鉀溶液中的循環伏安測試圖，圖3為多孔氮碳復合物在6M氫氧化鉀溶液的充放電測試圖。具體實施方式本專利技術的一種鹽模板法制備多孔氮碳復合物的方法，包括以下步驟：(1)根據現有技術制備得到聚鄰苯二胺基體，即：將0.1～1.5g鄰苯二胺分散于80mL水中，先室溫下攪拌20min，再置于低溫水浴中攪拌30min，加入引發劑硫酸銨，攪拌0.5min，停止攪拌于低溫下反應12h。抽濾、真空干燥后得聚鄰苯二胺基體。所述引發劑與單體總量的質量比為1:1～1:2；聚合反應時間為12～24h；抽濾需要5％～10％的氨水和二次蒸餾水洗滌數次；干燥溫度為80℃。(2)將聚鄰苯二胺基體與氯化鈉，氯化鋅混合均勻，置于管式爐中，在氮氣保護下，高溫熱解，得氮碳復合物與鹽混合物。所述聚鄰苯二胺基體的質量是0.1～1g；聚鄰苯二胺基體與無機鹽的質量比為1～1:15；低熔點無機鹽的組成為氯化鈉與氯化鋅；氯化鈉與氯化鋅的摩爾比為1:1～1:6。所述聚鄰苯二胺基體與無機鹽混合，溶劑為水、乙醇、丙酮或N-甲基吡咯烷酮，溶劑的用量為1～10mL；使用超聲混合，混合時間為5～10min。所述高溫熱解的溫度為500～1000℃；升溫速度為0.5～5℃·min-1；恒溫時間為2～3h。(3)將氮碳復合物與鹽混合物研磨，酸洗，水洗，去除鹽模板，干燥后得多孔氮碳復合物。所述將氮碳復合物與鹽混合物研磨，去模板時使用20mL濃鹽酸和1000mL二次蒸餾水洗滌數次；干燥溫度為50～90℃；干燥時間為12～24h。(4)將多孔氮碳復合物分散在二次蒸餾水中(1～5mg·mL-1)。取3～20μL滴加在玻碳上，室溫下干燥器中干燥2h后，在其表面滴加1～10μL的Nafion乙醇分散液(0.05wt.％)，室溫下干燥器中干燥2h，制得修飾后的超級電容器電極。下面通過具體實例進一步說明本專利技術制備新型氮碳復合物的具體方法。實例一(1)聚鄰苯二胺基體的制備在250mL圓底燒瓶中加入1.2g鄰苯二胺，分散在80mL二次水中攪拌20min，再置于低溫水浴中攪拌30min，后加入過硫酸銨2.4g，將燒瓶置于0～5℃的冰箱中反應12h。取出抽濾，用質量分數為5％的氨水和二次蒸餾水洗至濾液澄清，干燥，得聚鄰苯二胺基體。(2)聚鄰苯二胺基體與混鹽的熱處理將聚鄰苯二胺基體與混鹽以1:1的摩爾比混合置于管式爐中，其中聚鄰苯二胺0.1g，氯化鈉0.02371g，氯化鋅0.07629g，在氮氣保護下，800℃高溫熱解2h，升溫速率為2.5℃·min-1，得到氮碳復合物與鹽混合物。(3)去除鹽模板將氮碳復合物與鹽混合物研磨成粉末，分別用20mL鹽酸，1000mL的二次水處理，去除鹽模板，干燥后得多孔氮碳復合物材料。(4)電極制備將多孔氮碳復合本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種鹽模板制備多孔氮碳復合物的方法，其特征在于該方法包括以下步驟：1）根據現有技術制備聚鄰苯二胺基體；2）將聚鄰苯二胺基體與低熔點無機鹽混合物在溶劑中均勻混合，置于管式爐中，在氮氣保護下，高溫熱解，得氮碳復合物與鹽混合物；3）將氮碳復合物與鹽混合物研磨，酸洗，水洗，去除鹽模板，干燥后得多孔氮碳復合物材料。
【技術特征摘要】
1.一種鹽模板制備多孔氮碳復合物的方法，其特征在于該方法包括以下步驟：1)根據現有技術制備聚鄰苯二胺基體；2)將聚鄰苯二胺基體與低熔點無機鹽混合物在溶劑中均勻混合，置于管式爐中，在氮氣保護下，高溫熱解，得氮碳復合物與鹽混合物；3)將氮碳復合物與鹽混合物研磨，酸洗，水洗，去除鹽模板，干燥后得多孔氮碳復合物材料；所述的步驟1)中，將鄰苯二胺單體分散在水中，聚合引發劑為過硫酸銨；引發劑與鄰苯二胺單體總量的質量比為1:1～1:2；聚合反應的時間為12～24h；抽濾時用5％～10％的氨水和二次蒸餾水洗滌數次；反應后干燥的溫度為80℃；所述的步驟2)中，聚鄰苯二胺基體與低熔點無機鹽的質量比為1:1～1:15，低熔點無機鹽的組成為氯化鈉與氯化鋅；氯化鈉與氯化鋅的摩爾比為1:1～1:6；...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李穎，雷澤坤，劉松琴，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。