一種源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的氮氧共摻雜分級(jí)多孔碳及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米碳材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的氮氧共摻雜分級(jí)多孔碳及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器是近十年來(lái)備受關(guān)注的新型電化學(xué)能源存儲(chǔ)設(shè)備，已在電動(dòng)汽車(chē)，移動(dòng)電子產(chǎn)品和不間斷能量供應(yīng)領(lǐng)域里獲得廣泛應(yīng)用。基于碳材料的雙電層超級(jí)電容器是目前商品化超級(jí)電容器的主流。然而，提高碳材料的能量密度仍然是目前的一大挑戰(zhàn)。
[0003]對(duì)碳材料進(jìn)行雜原子摻雜，從而引入電化學(xué)活性位點(diǎn)(贗電容)，是目前比較公認(rèn)的可以大幅提高其能量密度的有效途徑。比如，利用含氮的活性試劑(如氮水、尿素等)，對(duì)碳材料進(jìn)行后處理，可以獲得氮摻雜碳材料，其比容、導(dǎo)電性、循環(huán)壽命均有了大幅的提高。但是，這種方法的缺點(diǎn)是氮的含量相對(duì)較低，同時(shí)制備工藝也比較繁鎖。此外，研究表明，多雜原子共摻雜可能會(huì)形成某種協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升碳材料的性能，如N，0共摻雜等。因此，多雜原子共摻雜碳也具有非常大的研究?jī)r(jià)值，正逐漸受到人們的關(guān)注。
[0004]除了雜原子摻雜，對(duì)碳材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)筑具有分級(jí)多孔的納米結(jié)構(gòu)也是提高其能量密度非常有效的途徑。目前模板法和活化法是構(gòu)筑分級(jí)多孔碳的最常用方法，但是也面臨較為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):(1)對(duì)模板法而言，想要獲得定制的分級(jí)多孔納米結(jié)構(gòu)的模板，具有很大的困難。此外，還需要面臨著一個(gè)繁瑣且耗時(shí)間的去模板過(guò)程。(2)對(duì)活化法而言，雖然，采用高濃度Κ0Η或NaOH對(duì)碳材料進(jìn)行活化無(wú)需模板，但從簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和“綠色”的角度出發(fā)，更多高效的新方法還亟待開(kāi)發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的氮氧共摻雜分級(jí)多孔碳及其制備方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的氮氧共摻雜分級(jí)多孔碳的制備方法，包括如下步驟:
[0008](1)將海藻酸鈉完全溶解于去離子水中，加入苯胺，攪拌使其溶解均勻；將混合溶液放在冰水浴中預(yù)冷后，加入氧化劑并快速攪拌均勻，然后置于室溫下進(jìn)行靜置反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后即得到聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠；
[0009](2)將聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠置于大量的去離子水中凈化平衡，隨后冷凍干燥后，再置于管式爐中，在保護(hù)氣氛下升溫至600?900°C碳化后，放入到酸性水溶液中浸泡，再用去離子水洗至中性，最后經(jīng)冷凍干燥后即得到N，0共摻雜分級(jí)多孔碳。
[0010]上述方案中，所述混合溶液中，海藻酸鈉的質(zhì)量濃度為0.1?5wt%，苯胺的物質(zhì)的量濃度為0.02?2mol/L。
[0011]上述方案中，所述氧化劑為過(guò)硫酸銨、氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵、高錳酸鉀和雙氧水中的一種或幾種。
[0012]上述方案中，所述氧化劑與苯胺的摩爾比為0.5?2。
[0013]上述方案中，步驟(1)所述靜置反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為12h?24h。
[0014]上述方案中，步驟(2)所述升溫至600?900°C的升溫速率為0.2?10°C/min。
[0015]上述方案中，步驟(2)所述碳化的時(shí)間為2h?5h。
[0016]上述方案中，步驟(2)所述保護(hù)氣氛為氬氣、氮?dú)夂桶睔庵械囊环N或多種。
[0017]上述方案中，步驟(2)所述酸性水溶液的濃度為0.1?5mol/L。
[0018]上述方案中，步驟(2)所述酸性水溶液為鹽酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、醋酸水溶液、或磷酸水溶液。
[0019]上述制備方法制備得到的源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的氮氧共摻雜分級(jí)多孔碳。
[0020]本發(fā)明的有益效果如下:(1)苯胺和海藻酸鈉分別是富含N和0的物質(zhì)，產(chǎn)量大，價(jià)格低廉，并且可以通過(guò)改變物料的配比調(diào)控分級(jí)多孔碳中N，0的摻雜量，因此，本發(fā)明所述制備方法不僅工藝簡(jiǎn)單易操作，而且是一種可控的N，0摻雜技術(shù)。(2)本發(fā)明制備方法可以制備得到具有較高的N，0摻雜量和理想分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的多孔碳，所述N，0共摻雜分級(jí)多孔碳在高性能超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
:
[0021]圖1為本發(fā)明所述源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的氮氧共摻雜分級(jí)多孔碳的掃描電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0023]實(shí)施例1
[0024]一種源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的N，0共摻雜分級(jí)多孔碳，通過(guò)如下方法制備得到:
[0025](1)將0.4g海藻酸鈉完全溶解于19.6mL去離子水中，加入0.365mL苯胺，攪拌使其溶解均勻;將混合溶液放在冰水浴中預(yù)冷30分鐘后，加入0.912g過(guò)硫酸銨并快速攪拌均勻，在室溫下靜置反應(yīng)12小時(shí)，即可獲得聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠;然后將水凝膠在大量的去離子水凈化平衡三天，每隔12小時(shí)換一次水；
[0026](2)將制得的聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠冷凍干燥后，置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以5°C/min的速率升溫至750°C碳化2小時(shí)后，將產(chǎn)物放入lmol/L的鹽酸水溶液中浸泡24小時(shí)，過(guò)濾，再用去離子水洗至中性，冷凍干燥后，即可獲得N，0共摻雜分級(jí)多孔碳。
[0027]圖1為本實(shí)施例制備得到的N，0共摻雜分級(jí)多孔碳的掃描電鏡照片，可以看出它為典型的分級(jí)多孔納米結(jié)構(gòu)，所制備得到的N，0共摻雜分級(jí)多孔碳在高性能超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
[0028]實(shí)施例2
[0029]—種源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的N，0共摻雜分級(jí)多孔碳，通過(guò)如下方法制備得到:
[°03°] (1)將0.4g海藻酸鈉完全溶解于去19.6mL離子水中，加入1.095mL苯胺，攪拌使其溶解均勻;將混合溶液放在冰水浴中預(yù)冷30分鐘后，加入2.736g過(guò)硫酸銨并快速攪拌均勻，在室溫下靜置反應(yīng)24小時(shí)，即可獲得聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠;最后，將水凝膠在大量的去離子水中凈化平衡三天，每隔12小時(shí)換一次水。
[0031](2)同實(shí)施例1中的步驟(2)。
[0032]實(shí)施例3
[0033]一種源于聚苯胺-海藻酸鈉水凝膠的N，0共摻雜分級(jí)多孔碳，通過(guò)如下方法制備得到:
[0034](1)將0.4g海藻酸鈉完全溶解于去19.6mL離子水中，加入0.183mL苯胺，攪拌使其溶