一種氮摻雜活性炭的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮摻雜活性炭的制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]含氮基熱固性聚合物，例如聚酰胺、聚苯并咪唑、聚酰亞胺等，其具有很好的熱機械性能，抗化學(xué)腐蝕性能、電性能等可以很好的用于制備泡沫，膠黏劑，汽車，航空，電子設(shè)備等。但是眾所周知，熱固性聚合物具有“不溶不熔”的性能。所以一經(jīng)制備成型很難改造，用過后的產(chǎn)品很難處理，一般降解工藝要求較高，成本較高，并且其降解要很長時間。
[0003]傳統(tǒng)的能源來源日益消耗殆盡，刺激人們?nèi)ふ铱商娲哪茉春陀行У哪芰抠A存裝置，超級電容器由于其具有功率密度高、充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點，在混合電動車、電動車和后備電源等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景，倍受人們的關(guān)注。
[0004]活性炭是因具有超大的比表面、化學(xué)性能穩(wěn)定、較好的導(dǎo)電性能等優(yōu)點，成為了超級電容器電極的重要材料之一。
[0005]所以考慮是否可以將制得的含氮基熱固性聚合物再次進行利用，制備含氮的活性炭物質(zhì)，將其應(yīng)用于電容器中。合理再次利用，環(huán)保節(jié)能，工藝簡單，成本低，具有重要的實際應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決含氮基熱固性聚合物的廢棄物降解工藝復(fù)雜，成本較高以及不能用于超級電容器中的問題，提供一種氮摻雜活性炭的制備方法及其應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明一種氮摻雜活性炭的制備方法，按如下步驟進行:
[0008]一、將對苯二胺、多聚甲醛和氮甲基吡咯烷酮放入三頸瓶中，氮氣環(huán)境保護，磁力攪拌，反應(yīng)結(jié)束后溫度降至室溫，獲得縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物凝膠狀物質(zhì)；
[0009]二、將縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物凝膠狀物質(zhì)用丙酮沉降，抽濾真空干燥得到縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物產(chǎn)物；
[0010]三、將縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物產(chǎn)物置于管式爐中進行高溫?zé)峤?，即得氮摻雜活性炭；其中對苯二胺和多聚甲醛的摩爾比為1: (I?6)，對苯二胺與氮甲基吡咯烷酮的摩爾體積比lmmol: (2ml?5ml)。
[0011]本發(fā)明氮摻雜活性炭的應(yīng)用是指將氮摻雜活性炭應(yīng)用于超級電容器中，應(yīng)用方法為:采用泡沫鎳作為集流體，以氮摻雜活性炭、乙炔黑和PVDF按質(zhì)量比8:1:1制備工作電極，以商業(yè)用活性炭、乙炔黑、PVDF按質(zhì)量比8:1:1制備對電極，組裝電化學(xué)電容器。
[0012]本發(fā)明的制備設(shè)備簡單，環(huán)保節(jié)能，將制得的不溶不熔的熱固性聚合物進行適當(dāng)處理，可再次利用，且操作簡單，易于大規(guī)模生產(chǎn)；所獲得的氮摻雜活性炭可以用做超級電容器電極材料，制備的電極材料可保持穩(wěn)定可逆的電化學(xué)特性，且隨著掃描速度的增加，響應(yīng)電流依次增大，說明具有較好的倍率性能。
【附圖說明】
[0013]圖1為實施例1所獲得的氮摻雜活性炭制備的超級電容器用工作電極的照片；
[0014]圖2為實施例1獲得的氮摻雜活性炭為工作電極組裝的超級電容器照片；
[0015]圖3為實施例1所獲得的以氮摻雜活性炭制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線；其中a為lmV/s，b為3mV/s，c為5mV/s ；
[0016]圖4為本發(fā)明實施例1所獲得的以氮摻雜活性炭制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為ΙΑ/g，b為2A/g，c為3A/g，d為4A/g，e為5A/g ；
[0017]圖5為本發(fā)明實施例1所獲得的以氮摻雜活性炭制備的工作電極在6M氫氧化鉀電解液中依據(jù)恒電流充放電曲線計算所得的比電容曲線；
[0018]圖6為本發(fā)明實施例2獲得的以氮摻雜活性炭制備的工作電極在IM硫酸鈉電解液中的不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線；其中a為lmV/s，b為8mV/s，c為10mV/s ；
[0019]圖7為本發(fā)明實施例3獲得的以氮摻雜活性炭制備的工作電極在IM硫酸鈉電解液中的恒電流充放電曲線；其中a為0.5A/g，b為ΙΑ/g，c為2A/g，d為3A/g ；
[0020]圖8為本發(fā)明實施例3獲得的以氮摻雜活性炭制備的工作電極在IM硫酸鈉電解液中依據(jù)恒電流充放電曲線計算所得的比電容曲線。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0022]【具體實施方式】一:本實施方式一種氮摻雜活性炭的制備方法，按如下步驟進行:
[0023]一、將對苯二胺、多聚甲醛和氮甲基吡咯烷酮放入三頸瓶中，氮氣環(huán)境保護，磁力攪拌，反應(yīng)結(jié)束后溫度降至室溫，獲得縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物凝膠狀物質(zhì)；
[0024]二、將縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物凝膠狀物質(zhì)用丙酮沉降，抽濾真空干燥得到縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物產(chǎn)物；
[0025]三、將縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物產(chǎn)物(PHDN)置于管式爐中進行高溫?zé)峤猓吹玫獡诫s活性炭；其中對苯二胺和多聚甲醛的摩爾比為1: (I?6)，對苯二胺與氮甲基吡略燒酮的摩爾體積比lmmol: (2ml?5ml)。
[0026]本實施方式的氮摻雜活性炭的應(yīng)用是指將氮摻雜活性炭應(yīng)用于超級電容器中，應(yīng)用方法為:采用泡沫鎳作為集流體，以氮摻雜活性炭、乙炔黑和PVDF按質(zhì)量比8:1:1制備工作電極，以商業(yè)用活性炭、乙炔黑、PVDF按質(zhì)量比8:1:1制備對電極，組裝電化學(xué)電容器。
[0027]本實施方式的制備設(shè)備簡單，環(huán)保節(jié)能，將制得的不溶不熔的熱固性聚合物進行適當(dāng)處理，可再次利用，且操作簡單，易于大規(guī)模生產(chǎn)；所獲得的活性炭可以用做超級電容器電極材料，制備的電極材料可保持穩(wěn)定可逆的電化學(xué)特性，且隨著掃描速度的增加，響應(yīng)電流依次增大，說明具有較好的倍率性能。
[0028]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中對苯二胺和多聚甲醛的摩爾比為1:5。其它與【具體實施方式】一相同。
[0029]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:步驟一中對苯二胺與氮甲基吡咯烷酮的摩爾體積比lmmol:3ml。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0030]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:步驟一中磁力攪拌是指在50°C的條件下磁力攪拌24h。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0031]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:步驟三中所述的高溫?zé)峤獾姆椒?將所述PHDN置于瓷舟中，然后放入管式爐；向管式爐中通入氮氣或氬氣除氧氣3?8h，并將氮氣或氬氣作為保護氣，再將管式爐以3?5°C /min的速率升溫至200°C，然后以0.5?2°C /min的速率升溫至450°C，再以2?6°C /min的速率升溫至600°C?1100°C，保持2?4h ;然后以3?5°C /min的速率降溫至400°C，再降至室溫，即完成。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0032]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:步驟三中所述的高溫?zé)峤獾姆椒?將所述PHDN置于瓷舟中，然后放入管式爐；向管式爐中通入氮氣或氬氣除氧氣6h，并將氮氣或氬氣作為保護氣，再將管式爐以5°C /min的速率升溫至200°C，然后以1°C /min的速率升溫至450°C，再以4°C /min的速率升溫至700°C，保持2h ；然后以5°C /min的速率降溫至400°C，再降至室溫，即完成。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0033]【具體實施方式】七:本實施方式氮摻雜活性炭的應(yīng)用是指將氮摻雜活性炭應(yīng)用于超級電容器中，應(yīng)用方法為:采用泡沫鎳作為集流體，以氮摻雜活性炭、乙炔黑和PVDF按質(zhì)量比8:1:1制備工作電極，以商業(yè)用活性炭、乙炔黑、PVDF按質(zhì)量比8:1:1制備對電極，組裝電化學(xué)電容器。
[0034]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】七不同的是:應(yīng)用的具體方法為:一、將泡沫鎳板裁成I X Icm2的正方形，隨后用點焊機將鎳條與裁好的泡沫鎳焊接在一起構(gòu)成集流體；二、將聚偏氟乙烯溶于N-甲基吡咯烷酮，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的PVDF/NMP溶液，作為粘結(jié)劑；三、將氮摻雜活性炭、乙炔黑、PVDF固含量按質(zhì)量比8:1:1混合，置于容器中，磁力攪拌5?24h，然后均勻的刮涂在集流體上，再100°C真空干燥12h，然后置于油壓機中，再用I?1MPa的壓力將壓實，即為超級電容器用工作電極。其它與【具體實施方式】七相同。
[0035]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】七或八不同的是:所述的超級電容器的參比電極為汞/氧化汞，電解液為6M氫氧化鉀。其它與【具體實施方式】七或八相同。
[0036]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】七至九之一不同的是:所述的超級電容器的參比電極為銀/氯化銀，電解液為IM硫酸鈉。其它與【具體實施方式】七至九之一相同。
[0037]通過以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果:
[0038]實施例1、一種氮摻雜活性炭的制備方法，是按如下步驟進行:
[0039]一、將1mmol對苯二胺、50mmol多聚甲醛和30mL氮甲基吡咯烷酮放入三頸瓶中，氮氣環(huán)境保護，50°C磁力攪拌24h，反應(yīng)結(jié)束后溫度降至室溫，獲得1.3000g縮醛胺動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物凝膠狀物質(zhì)；
[0040]二、將