一種氮摻雜多孔碳納米管材料、制備方法及其在超級電容器電極的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超級電容器電極材料領(lǐng)域，特別涉及一種聚苯胺多孔含氮碳納米管電極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的現(xiàn)代社會高科技智能產(chǎn)品隨處可見，包括數(shù)碼電子產(chǎn)品、智能汽車、智能家居、電動產(chǎn)品等，這些產(chǎn)品的動力來源也要求高效率、長壽命、少污染、方便快捷幾大特性。超級電容器具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。作為超級電容器其核心就是其電極材料，而碳材料因其高導(dǎo)電率，原料廉價易得，以及循環(huán)壽命長受到廣泛關(guān)注。常見的碳材料有活性炭，介孔炭，碳納米管以及石墨烯，對于活性炭來說因其高比表面和廉價等優(yōu)點廣泛在商業(yè)中應(yīng)用；但是由于其高微孔率阻礙了電解液和電極活性物質(zhì)的接觸，所以在高倍率下性能并不能讓人滿意。碳納米管因其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和高的電子導(dǎo)電率被認(rèn)為是最有前途的電極材料，但是其低的比表面積限制了其在電容器方面的應(yīng)用。
[0003]為了滿足電容器的需要，研究者致力于設(shè)計一種具有高比表面、兼有贗電容的納米碳材料。因此在炭骨架中引入雜原子是一種非常有效的方法，而在眾多雜原子，引入氮原子被認(rèn)為是最有效的方法。碳材料中的含氮的官能團(tuán)可以提高表面活性并且在充放電過程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生贗電容。傳統(tǒng)的制備氮摻雜多孔碳納米材料的方法有兩種，一種是碳材料在氨氣中后處理,(參見X.Wang, J.S.Lee, Q.Zhu, J.Liu, Y.Wang and S.Dai, Chem.Mater., 2010，22，2178)—種是采用含氮的前驅(qū)體制備。(參見M.Sevilla,L.Yu, Τ.P.Fellinger, A.B.Fuertes and Μ.M.Titirici, RSC Adv.，2013，3，9904.)0

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種新的電化學(xué)性能優(yōu)秀的超級電容器用的負(fù)極碳材料一以聚苯胺納米管為前驅(qū)體的碳材料。
[0005]為達(dá)到提供一種超級電容器用新的負(fù)極材料的目的，本發(fā)明采用的方案是:一種中性介質(zhì)合成的聚苯胺納米管，直徑150-200nm,長度為l_3um。
[0006]本發(fā)明一個目的是提供一種氮摻雜多孔碳納米管材料的制備方法，按下列方法制得:
步驟一:將苯胺單體和過硫酸銨氧化劑按摩爾比7:10的比例分別溶解在等體積的去離子水中，然后將兩溶液混合，室溫下反應(yīng)8-24小時，之后抽濾，并將產(chǎn)物用無水乙醇和去離子水清洗至濾液無色，真空50°C烘干，得到聚苯胺空心管；
步驟二:將聚苯胺空心管在空氣氣氛中，200°C下預(yù)氧化處理2h，得到預(yù)氧化空心管產(chǎn)物； 步驟三:取步驟二所得預(yù)氧化產(chǎn)物，放入高溫炭化爐中，在惰性氣氛下加熱至目標(biāo)溫度，保溫2h，即得聚苯胺基碳納米管樣品；
步驟四:取步驟三所得炭化產(chǎn)物，與氫氧化鉀按照不同比例混合放入高溫炭化爐中，在惰性氣氛下加熱至目標(biāo)溫度，保溫2h，即得氮摻雜多孔碳納米管樣品，比表面積為2682cm21
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[0007]本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)選方案是:所述炭化溫度為700°C，所述的活化溫度為700°C。
[0008]本發(fā)明采用氮摻雜多孔碳納米管材料作為超級電容器電極材料。將氮原子引入規(guī)整的碳結(jié)構(gòu)中，可能會破壞碳骨架的規(guī)整性，但是可以提高表面活性，也有利于電解質(zhì)的浸潤。因此聚苯胺基碳材料是一種電化學(xué)性能優(yōu)良的超級電容器電極材料。
[0009]
【附圖說明】
附圖1為氮摻雜多孔碳納米管的掃描電鏡圖。
[0010]附圖2為氮摻雜多孔碳納米管的透射電鏡圖。
[0011]附圖3為活化溫度分別為700、800°C和900°C下所得氮摻雜多孔碳納米管電極材料在電流密度1A g 1電流密度10Ag 1循環(huán)各1000次的恒流充放電容量曲線。
[0012]
【具體實施方式】
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
實施例1
稱取2mL苯胺與6.84g過硫酸銨分別溶解在100 ml去離子水中,配制苯胺溶液與過硫酸銨溶液，攪拌均勻后5°C環(huán)境下靜置30分鐘，然后將過硫酸銨溶液迅速倒入苯胺溶液中，5°C反應(yīng)24小時。將抽濾產(chǎn)物分別用去離子水清洗至濾液無色，50°C烘干，得到聚苯胺納米管。
[0013]將聚苯胺納米管作為碳前驅(qū)體裝入氧化鋁坩堝，200°C的空氣中預(yù)氧化2個小時，然后放入臥式炭化爐中，在氮氣氣氛下加熱，升溫速率為rc ^化1，從室溫升溫至700°C，保溫2小時，得到聚苯胺基碳納米管。
[0014]取所得炭化產(chǎn)物，與氫氧化鉀按照1:4比例混合放入高溫炭化爐中，在惰性氣氛下以rc -min 1的速率加熱700°C，保溫2h，即得氮摻雜多孔碳納米管樣品。
[0015]如附圖1掃描電鏡(SEM)所示氮摻雜多孔碳納米管直徑為150-200nm，長度為l-3um;如附圖2透射電鏡圖片所示氮摻雜多孔碳納米管表面粗糙，具有空心結(jié)構(gòu)；如附圖3電化學(xué)性能測試結(jié)果表明，700°C活化處理所得到的氮摻雜多孔碳納米管在電流密度1A g 1下循環(huán)1000次容量有392 F g \在電流密度10A g 1循環(huán)1000次容量有327 F g、
[0016]實施例2
聚苯胺碳納米管的制備方法同實施例1不同的是在活化過程中，活化溫度為600°C，保溫2小時，得到氮摻雜多孔碳納米管。
[0017]如附圖3所示600°C活化處理得到的氮摻雜多孔碳納米管在電流密度1A g 1下循環(huán)1000次容量有292 F g \在電流密度10A g 1循環(huán)1000次容量有248 F g、
[0018]實施例3
聚苯胺碳納米管的制備方法同實施例1，不同的是活化溫度為800°C，保溫2小時，得到氮摻雜多孔碳納米管。
[0019]如附圖3所示800°C碳化處理得到的氮摻雜多孔碳納米管在電流密度1A g 1下循環(huán)1000次容量有312 F g \在電流密度10A g 1循環(huán)1000次容量有270 F g、
[0020]實施例4
聚苯胺碳納米管的制備方法同實施例1不同的是在活化過程中，炭化產(chǎn)物與氫氧化鉀按照1:2比例，得到氮摻雜多孔碳納米管。
[0021]如附圖3所示炭化產(chǎn)物與氫氧化鉀按照1:2活化處理得到的氮摻雜多孔碳納米管在電流密度1A g 1下循環(huán)1000次容量有327 F g \在電流密度10A g 1循環(huán)1000次容量有 285 F g 'c
[0022]實施例5
聚苯胺碳納米管的制備方法同實施例1不同的是在活化過程中，炭化產(chǎn)物與氫氧化鉀按照1:6比例，到氮摻雜多孔碳納米管。
[0023]如附圖3所示炭化產(chǎn)物與氫氧化鉀按照1: 2活化處理得到的氮摻雜多孔碳納米管在電流密度1A g 1下循環(huán)1000次容量有369 F g \在電流密度10A g 1循環(huán)1000次容量有 297 F g1。
[0024]以上已對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種氮摻雜多孔碳納米管材料，其特征在于:所述碳納米管由聚苯胺前驅(qū)體經(jīng)過炭化、活化而成，具有納米空心結(jié)構(gòu)和高比表面積，比表面積在1768cm2 g、2.一種氮摻雜多孔碳納米管的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:將苯胺單體和氧化劑過硫酸銨按摩爾比7:10的比例分別溶解在等體積的去離子水中，然后將兩溶液混合，室溫下反應(yīng)8-24小時，之后抽濾，并將產(chǎn)物用無水乙醇和去離子水清洗至濾液無色，真空50°C烘干，得到聚苯胺空心管； 步驟二:將聚苯胺空心管在空氣氣氛中，200°C下預(yù)氧化處理2h，得到預(yù)氧化空心管產(chǎn)物； 步驟三:取步驟二所得預(yù)氧化產(chǎn)物，放入高溫炭化爐中，在惰性氣氛下加熱至目標(biāo)溫度，保溫2h，即得聚苯胺基碳納米管樣品； 第四步，取步驟三所得炭化產(chǎn)物，與氫氧化鉀按照不同摩爾比混合放入高溫炭化爐中，在惰性氣氛下加熱至目標(biāo)溫度，保溫2h，即得氮摻雜多孔碳納米管樣品。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮摻雜多孔碳納米管材料的制備方法，其特征在于:其炭化的目標(biāo)溫度為600-1000攝氏度。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮摻雜多孔碳納米管材料的制備方法，其特征在于:活化過程中，炭化產(chǎn)物與氫氧化鉀的摩爾比為1:2-1:6。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮摻雜多孔碳納米管材料的制備方法，其特征在于:活化過程中，其活化的目標(biāo)溫度為700-900攝氏度。6.電化學(xué)性能測試結(jié)果表明，活化處理所得到的氮摻雜多孔碳納米管在電流密度1Ag 1下循環(huán)1000次容量有392 F g \在電流密度10A g 1循環(huán)1000次容量有327 F g、
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氮摻雜多孔碳納米管材料及其制備方法。以采用化學(xué)氧化法制備的聚苯胺納米管作為前驅(qū)體，在氮氣氛圍下，600-900℃溫度下炭化得到聚苯胺基碳納米管，在氮氣氛圍下，600-800℃下活化得到氮摻雜多孔碳納米管。該氮摻雜多孔碳納米管表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在電流密度1Ag-1下循環(huán)1000次容量有392Fg-1，在電流密度10Ag-1循環(huán)1000次容量有327Fg-1。
【IPC分類】H01G11/26, B82Y30/00, C01B31/02
【公開號】CN105314614
【申請?zhí)枴緾N201410245771
【發(fā)明人】宋懷河, 劉海燕, 陳曉紅
【申請人】北京化工大學(xué)
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2014年6月4日