一种氮掺杂多孔碳纳米管材料、制备方法及其在超级电容器电极的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及超级电容器电极材料领域，特别涉及一种聚苯胺多孔含氮碳纳米管电极材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在社会经济快速发展的现代社会高科技智能产品随处可见，包括数码电子产品、智能汽车、智能家居、电动产品等，这些产品的动力来源也要求高效率、长寿命、少污染、方便快捷几大特性。超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。作为超级电容器其核心就是其电极材料，而碳材料因其高导电率，原料廉价易得，以及循环寿命长受到广泛关注。常见的碳材料有活性炭，介孔炭，碳纳米管以及石墨烯，对于活性炭来说因其高比表面和廉价等优点广泛在商业中应用；但是由于其高微孔率阻碍了电解液和电极活性物质的接触，所以在高倍率下性能并不能让人满意。碳纳米管因其发达的孔隙结构和高的电子导电率被认为是最有前途的电极材料，但是其低的比表面积限制了其在电容器方面的应用。
[0003]为了满足电容器的需要，研究者致力于设计一种具有高比表面、兼有赝电容的纳米碳材料。因此在炭骨架中引入杂原子是一种非常有效的方法，而在众多杂原子，引入氮原子被认为是最有效的方法。碳材料中的含氮的官能团可以提高表面活性并且在充放电过程中发生氧化还原反应产生赝电容。传统的制备氮掺杂多孔碳纳米材料的方法有两种，一种是碳材料在氨气中后处理,(参见X.Wang, J.S.Lee, Q.Zhu, J.Liu, Y.Wang and S.Dai, Chem.Mater., 2010，22，2178)—种是采用含氮的前驱体制备。(参见M.Sevilla,L.Yu, Τ.P.Fellinger, A.B.Fuertes and Μ.M.Titirici, RSC Adv.，2013，3，9904.)0
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种新的电化学性能优秀的超级电容器用的负极碳材料一以聚苯胺纳米管为前驱体的碳材料。
[0005]为达到提供一种超级电容器用新的负极材料的目的，本发明采用的方案是:一种中性介质合成的聚苯胺纳米管，直径150-200nm,长度为l_3um。
[0006]本发明一个目的是提供一种氮掺杂多孔碳纳米管材料的制备方法，按下列方法制得:
步骤一:将苯胺单体和过硫酸铵氧化剂按摩尔比7:10的比例分别溶解在等体积的去离子水中，然后将两溶液混合，室温下反应8-24小时，之后抽滤，并将产物用无水乙醇和去离子水清洗至滤液无色，真空50°C烘干，得到聚苯胺空心管；
步骤二:将聚苯胺空心管在空气气氛中，200°C下预氧化处理2h，得到预氧化空心管产物； 步骤三:取步骤二所得预氧化产物，放入高温炭化炉中，在惰性气氛下加热至目标温度，保温2h，即得聚苯胺基碳纳米管样品；
步骤四:取步骤三所得炭化产物，与氢氧化钾按照不同比例混合放入高温炭化炉中，在惰性气氛下加热至目标温度，保温2h，即得氮掺杂多孔碳纳米管样品，比表面积为2682cm21
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[0007]本发明进一步的优选方案是:所述炭化温度为700°C，所述的活化温度为700°C。
[0008]本发明采用氮掺杂多孔碳纳米管材料作为超级电容器电极材料。将氮原子引入规整的碳结构中，可能会破坏碳骨架的规整性，但是可以提高表面活性，也有利于电解质的浸润。因此聚苯胺基碳材料是一种电化学性能优良的超级电容器电极材料。
[0009]
【附图说明】
附图1为氮掺杂多孔碳纳米管的扫描电镜图。
[0010]附图2为氮掺杂多孔碳纳米管的透射电镜图。
[0011]附图3为活化温度分别为700、800°C和900°C下所得氮掺杂多孔碳纳米管电极材料在电流密度1A g 1电流密度10Ag 1循环各1000次的恒流充放电容量曲线。
[0012]
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明:
实施例1
称取2mL苯胺与6.84g过硫酸铵分别溶解在100 ml去离子水中,配制苯胺溶液与过硫酸铵溶液，搅拌均匀后5°C环境下静置30分钟，然后将过硫酸铵溶液迅速倒入苯胺溶液中，5°C反应24小时。将抽滤产物分别用去离子水清洗至滤液无色，50°C烘干，得到聚苯胺纳米管。
[0013]将聚苯胺纳米管作为碳前驱体装入氧化铝坩埚，200°C的空气中预氧化2个小时，然后放入卧式炭化炉中，在氮气气氛下加热，升温速率为rc ^化1，从室温升温至700°C，保温2小时，得到聚苯胺基碳纳米管。
[0014]取所得炭化产物，与氢氧化钾按照1:4比例混合放入高温炭化炉中，在惰性气氛下以rc -min 1的速率加热700°C，保温2h，即得氮掺杂多孔碳纳米管样品。
[0015]如附图1扫描电镜(SEM)所示氮掺杂多孔碳纳米管直径为150-200nm，长度为l-3um;如附图2透射电镜图片所示氮掺杂多孔碳纳米管表面粗糙，具有空心结构；如附图3电化学性能测试结果表明，700°C活化处理所得到的氮掺杂多孔碳纳米管在电流密度1A g 1下循环1000次容量有392 F g \在电流密度10A g 1循环1000次容量有327 F g、
[0016]实施例2
聚苯胺碳纳米管的制备方法同实施例1不同的是在活化过程中，活化温度为600°C，保温2小时，得到氮掺杂多孔碳纳米管。
[0017]如附图3所示600°C活化处理得到的氮掺杂多孔碳纳米管在电流密度1A g 1下循环1000次容量有292 F g \在电流密度10A g 1循环1000次容量有248 F g、
[0018]实施例3
聚苯胺碳纳米管的制备方法同实施例1，不同的是活化温度为800°C，保温2小时，得到氮掺杂多孔碳纳米管。
[0019]如附图3所示800°C碳化处理得到的氮掺杂多孔碳纳米管在电流密度1A g 1下循环1000次容量有312 F g \在电流密度10A g 1循环1000次容量有270 F g、
[0020]实施例4
聚苯胺碳纳米管的制备方法同实施例1不同的是在活化过程中，炭化产物与氢氧化钾按照1:2比例，得到氮掺杂多孔碳纳米管。
[0021]如附图3所示炭化产物与氢氧化钾按照1:2活化处理得到的氮掺杂多孔碳纳米管在电流密度1A g 1下循环1000次容量有327 F g \在电流密度10A g 1循环1000次容量有 285 F g 'c
[0022]实施例5
聚苯胺碳纳米管的制备方法同实施例1不同的是在活化过程中，炭化产物与氢氧化钾按照1:6比例，到氮掺杂多孔碳纳米管。
[0023]如附图3所示炭化产物与氢氧化钾按照1: 2活化处理得到的氮掺杂多孔碳纳米管在电流密度1A g 1下循环1000次容量有369 F g \在电流密度10A g 1循环1000次容量有 297 F g1。
[0024]以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
【主权项】
1.一种氮掺杂多孔碳纳米管材料，其特征在于:所述碳纳米管由聚苯胺前驱体经过炭化、活化而成，具有纳米空心结构和高比表面积，比表面积在1768cm2 g、2.一种氮掺杂多孔碳纳米管的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一:将苯胺单体和氧化剂过硫酸铵按摩尔比7:10的比例分别溶解在等体积的去离子水中，然后将两溶液混合，室温下反应8-24小时，之后抽滤，并将产物用无水乙醇和去离子水清洗至滤液无色，真空50°C烘干，得到聚苯胺空心管； 步骤二:将聚苯胺空心管在空气气氛中，200°C下预氧化处理2h，得到预氧化空心管产物； 步骤三:取步骤二所得预氧化产物，放入高温炭化炉中，在惰性气氛下加热至目标温度，保温2h，即得聚苯胺基碳纳米管样品； 第四步，取步骤三所得炭化产物，与氢氧化钾按照不同摩尔比混合放入高温炭化炉中，在惰性气氛下加热至目标温度，保温2h，即得氮掺杂多孔碳纳米管样品。3.根据权利要求2所述的氮掺杂多孔碳纳米管材料的制备方法，其特征在于:其炭化的目标温度为600-1000摄氏度。4.根据权利要求2所述的氮掺杂多孔碳纳米管材料的制备方法，其特征在于:活化过程中，炭化产物与氢氧化钾的摩尔比为1:2-1:6。5.根据权利要求2所述的氮掺杂多孔碳纳米管材料的制备方法，其特征在于:活化过程中，其活化的目标温度为700-900摄氏度。6.电化学性能测试结果表明，活化处理所得到的氮掺杂多孔碳纳米管在电流密度1Ag 1下循环1000次容量有392 F g \在电流密度10A g 1循环1000次容量有327 F g、
【专利摘要】本发明公开了一种氮掺杂多孔碳纳米管材料及其制备方法。以采用化学氧化法制备的聚苯胺纳米管作为前驱体，在氮气氛围下，600-900℃温度下炭化得到聚苯胺基碳纳米管，在氮气氛围下，600-800℃下活化得到氮掺杂多孔碳纳米管。该氮掺杂多孔碳纳米管表现出优异的电化学性能，在电流密度1Ag-1下循环1000次容量有392Fg-1，在电流密度10Ag-1循环1000次容量有327Fg-1。
【IPC分类】H01G11/26, B82Y30/00, C01B31/02
【公开号】CN105314614
【申请号】CN201410245771
【发明人】宋怀河, 刘海燕, 陈晓红
【申请人】北京化工大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2014年6月4日