专利名称：氮掺杂碳复合物材料的制备及其在超级电容器中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型氮掺杂碳复合物材料的制备方法；同时还涉及其在超级电容器中的应用。
背景技术：
超级电容器是一种新型绿色储能器件，具有能量密度高、充电时间短(几分钟甚至几秒钟)、使用寿命长(可达十万次)和工作温度范围宽等优点，可广泛应用于移动电话、录像机和笔记本电脑等电子产品，尤其适用于电动汽车等大功率放电场合。2010年上海世博会期间，共有61辆超级电容城市客车载客4000万人次，运营120万公里，对控制和减少汽车尾气排放，为低碳世博做出了杰出的贡献。决定超级电容器性能的关键因素是电极材料。已有研究表明，具有高比表面积、高电化学导电性的碳基材料，如活性炭颗粒、介孔碳、碳气凝胶、活性碳纤维、碳纳米管和石墨烯等，是双电层电容器中不可替代的电极材料。其中，以 活性碳材料为电极的超级电容器比电容量可达125Fg_i，活性碳纤维的比电容量为USFg—1，碳气溶胶材料的比电容量可达ecTlSOFg—1。Kang等制备的碳纳米管电极可进行大电流充放电，在电流密度为2Ag4时，其比电容为135Fg'以此电极构建的超级电容器比功率最高可达1641^1 -1,比能量最高可达MWhkg—1。以石墨烯制成的电容器，在O. 4Ag^的电流密度进行充放电时，其比电容可达260. 5Fg'石墨烯和碳纳米管作为新型碳材料，其电容性能虽然优越，然而目前碳纳米管和石墨烯的工业化生产技术还不成熟，制备方法复杂，价格非常高，离实际应用还有一段较长的距离。因此，寻求周期短、价格便宜、步骤简单的方法来制备具有高比表面积、高电导率的新型碳材料，有利于促进超级电容器的大规模生产和商业化应用。聚邻苯二胺(PoPD)具有梯形吩嗪环状结构。在较低的温度下Poro即可热解碳化，经过脱氢、环化、石墨化等一系列作用可以形成具有氮原子掺杂的大面积多环共轭大分子结构，分子结构类似于氮掺杂碳纳米管和氮掺杂石墨烯。由于氮原子含有孤对电子，对碳材料的掺杂属于η型掺杂,提高了碳材料的电子云密度,使其具有良好的电子传导性。同时，氮原子的掺杂会引起石墨片层六边形拓扑结构的畸变，并且使材料的缺陷位点增多，因而结构变得粗糙，比表面积增大。此外，Poro在热解过程中会释放出小分子气体，因而最终形成产物具有大量孔洞结构，从而进一步提高其比表面积。众所周知，碳基材料构成的双电层电容器是依靠电极/电解液界面处形成的双电层存储电能。因此，碳材料的比表面积越大，其比电容也越大。Poro热解氮掺杂碳复合物材料的这些优良性质预示着有可能显著提高超级电容器的性能，在超级电容器方面具有很好的应用前景。作为一种新型含氮共轭多孔材料，Poro热解氮掺杂碳复合物材料在此领域的研究尚属空白。此外，与氮掺杂碳纳米管相比，PoPD热解氮掺杂碳复合物材料具有制备温度低、工艺简单、前驱体价格便宜、结构多样化等优点，热解过程中不使用金属催化剂，产物无需纯化，容易实现规模化生产
发明内容
技术问题本发明的目地在于提供一种新型氮掺杂碳复合物材料的制备方法及其在超级电容器中的应用。技术方案本发明的一种新型氮掺杂碳复合物材料的制备方法包括以下步骤I)聚邻苯二胺基体的制备将邻苯二胺单体分散在水中，搅拌使其混合均匀，在低温水浴中继续搅拌，加入聚合引发剂，搅拌将引发剂混合均匀，反应完成后，抽滤，真空干燥，得聚邻苯二胺基体；2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素混合置于管式炉中，在氮气保护下，高温热解，得到新型氮掺杂碳复合物材料。所述的步骤I)中，将邻苯二胺单体分散在水中，搅拌的时间为5 20min ;后在低温水浴中搅拌时间为2(T50min ;加入引发剂后，搅拌的时间为O. 5 3min。所述的步骤I)中，聚合引发剂为过硫酸铵；引发剂与邻苯二胺单体总量的质量比 为 I : O. 2 I I。所述的步骤I)中，所述低温水浴的温度为(T10°C ;聚合反应的时间为12 24h ;聚合反应的环境温度为(Tio°c。所述的步骤I)中，反应后干燥的温度为4(T75°C ;抽滤时用5°/Γ Ο%的氨水和二次蒸馏水洗涤数次。所述的步骤2)中所述聚邻苯二胺基体与尿素的复合，聚邻苯二胺基体与尿素的质量比为1 5^1 15 ;高温热解的温度为50(T90(TC ;时间为2飞h。所述方法制备的氮掺杂碳复合物材料用于超级电容器的电极材料。有益效果本发明制备的氮掺杂碳复合物材料作为超级电容器的电极材料具有成本低廉，性能优异，性质稳定的优点。
图I为氮掺杂碳复合物材料的SEM图，图2为氮掺杂碳复合物材料在O. IM KOH溶液中的循环伏安测试图，图3为氮掺杂碳复合物材料在O. IM KOH溶液的充放电测试图。
具体实施例方式(I)以邻苯二胺为聚合单体，分散于IOlOmL溶剂中，先室温下搅拌5 20min，再置于低温水浴中搅拌2(T50min，加入引发剂，搅拌O. 5 5min，停止搅拌于低温下反应12 24h。抽滤、真空干燥后得聚邻苯二胺基体。所述溶剂为水，弓丨发剂为过硫酸铵。所述引发剂与单体总量的物质的量比为I : 0.2 1 I所述低温水浴的温度为(T10°C ;低温反应的温度为O飞。C。所述抽滤需要59TlO%的氨水和二次蒸馏水洗涤数次。所述干燥温度为5(T80°C。(2)将所得聚邻苯二胺基体与尿素混合置于管式炉中，在氮气保护下，高温热解，得到聚邻苯二胺基体与尿素复合的氮掺杂碳材料。所述聚邻苯二胺与尿素的质量比I : 5 I 15 ;高温热解的温度为35(T900°C，时间为2 6h。下面通过具体实例进一步说明本发明制备新型含氮碳材料复合物的具体方法。实例一( I)聚邻苯二胺基体的制备在50mL圆底烧瓶中加入O. 20g邻苯二胺，分散在IOmL 二次水中搅拌lOmin，再置于(T5°C水浴中搅拌20min，后加入过硫酸铵O. 25g，搅拌lmin，停止搅拌，将烧瓶置于(T5°C的冰箱中反应12h。取出抽滤，用250mL质量分数为5%的氨水和二次蒸馏水洗至滤液澄清。取出滤出的固体真空干燥12h，温度为80°C。得到的固体即聚邻苯二胺基体。(2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素以I : 5的比例混合置于管式炉中，在氮气保护下，·550°C高温热解3h，得到聚邻苯二胺基体与尿素复合的含氮碳材料。实例二( I)聚邻苯二胺基体的制备在50mL圆底烧瓶中加入O. 26g邻苯二胺，分散在30mL 二次水中搅拌20min，再置于(T5°C水浴中搅拌40min,后加入过硫酸铵O. 5g,搅拌5min,停止搅拌,将烧瓶置于(T5°C的冰箱中反应12h。取出抽滤，用250mL质量分数为5%的氨水和二次蒸馏水洗至滤液澄清。取出滤出的固体真空干燥12h，温度为50°C。得到的固体即聚邻苯二胺基体。(2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素以I : 15的比例混合置于管式炉中，在氮气保护下，650°C高温热解4h，得到聚邻苯二胺基体与尿素复合的含氮碳材料。实例三( I)聚邻苯二胺基体的制备在50mL圆底烧瓶中加入O. 3g邻苯二胺，分散在20mL 二次水中搅拌lOmin，再置于(T5°C水浴中搅拌30min，后加入过硫酸铵O. 38g，搅拌O. 5min,停止搅拌，将烧瓶置于(T5°C的冰箱中反应24h。取出抽滤，用250mL质量分数为5%的氨水和二次蒸馏水洗至滤液澄清。取出滤出的固体真空干燥24h，温度为60°C。得到的固体即聚邻苯二胺基体。(2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素以I : 10的比例混合置于管式炉中，在氮气保护下，750°C高温热解5h，得到聚邻苯二胺基体与尿素复合的含氮碳材料。实例四( I)聚邻苯二胺基体的制备在50mL圆底烧瓶中加入O. 35g邻苯二胺，分散在15mL 二次水中搅拌15min，再置于(T5°C水浴中搅拌25min，后加入过硫酸铵O. 45g，搅拌2min，停止搅拌，将烧瓶置于(T5°C的冰箱中反应20h。取出抽滤，用250mL质量分数为5%的氨水和二次蒸馏水洗至滤液澄清。取出滤出的固体真空干燥20h，温度为70°C。得到的固体即聚邻苯二胺基体。(2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素以I : 5的比例混合置于管式炉中，在氮气保护下，550°C高温热解2h，得到聚邻苯二胺基体与尿素复合的含氮碳材料。实例五
( I)聚邻苯二胺基体的制备在50mL圆底烧瓶中加入O. 40g邻苯二胺,分散在15mL 二次水中搅拌15min,再置于(T5°C水浴中搅拌35min，后加入过硫酸铵O. 20g,搅拌3min，停止搅拌，将烧瓶置于(T5°C的冰箱中反应18h。取出抽滤，用250mL质量分数为5%的氨水和二次蒸馏水洗至滤液澄清。取出滤出的固体真空干燥18h，温度为65°C。得到的固体即聚邻苯二胺基体。(2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素以I : 10的比例混合置于管式炉中，在氮气保护下，650°C高温热解4h，得到聚邻苯二胺基体与尿素复合的含氮碳材料。实例六( I)聚邻苯二胺基体的制备在50mL圆底烧瓶中加入O. 35g邻苯二胺,分散在IOmL 二次水中搅拌IOmin,再置于(T5°C水浴中搅拌25min，后加入过硫酸铵O. 25g，搅拌2min，停止搅拌，将烧瓶置于(T5°C的冰箱中反应15h。取出抽滤，用250mL质量分数为5%的氨水和二次蒸馏水洗至滤液澄清。取出滤出的固体真空干燥15h，温度为70°C。得到的固体即聚邻苯二胺基体。(2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素以I : 10的比例混合置于管式炉中，在氮气保护下，650°C高温热解4h，得到聚邻苯二胺基体与尿素复合的含氮碳材料。实例七( I)聚邻苯二胺基体的制备在50mL圆底烧瓶中加入O. 26g邻苯二胺,分散在30mL 二次水中搅拌15min,再置于(T5°C水浴中搅拌25min，后加入过硫酸铵O. 4g，搅拌lmin，停止搅拌，将烧瓶置于(T5°C的冰箱中反应20h。取出抽滤，用250mL质量分数为5%的氨水和二次蒸馏水洗至滤液澄清。取出滤出的固体真空干燥20h，温度为75°C。得到的固体即聚邻苯二胺基体。(2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素以I : 15的比例混合置于管式炉中，在氮气保护下，750°C高温热解4h，得到聚邻苯二胺基体与尿素复合的含氮碳材料。图I为本发明制备的氮掺杂碳复合物材料的SM图。从图I中可以看出，本发明所制备的氮掺杂碳复合物材料具有疏松的结构和较大的比表面积。图2为本发明制备的氮掺杂碳复合物材料在O. IM KOH溶液中的循环伏安测试图。从图2中可以看出，本发明制备的热处理后的邻苯二胺与尿素复合的氮掺杂碳材料有优良的电容性能，图中的曲线有类似矩形的形状，显示了良好的双电层容量性能。同时此氮掺杂碳复合物材料的循环稳定性好，能量和比功率均较大。图3为本发明制备的氮掺杂碳复合物材料在O. IM KOH溶液中的充放电测试图。从图3中可以看出，本发明制备的热处理后的邻苯二胺与尿素复合的氮掺杂碳材料的充放电·性能较好。在ZOOmAg—1的充放电电流下，能快速充放电，循环寿命较长，有较大的比电容值。
权利要求
1.一种氮掺杂碳复合物材料的制备方法，包括以下工艺步骤 1)聚邻苯二胺基体的制备将邻苯二胺单体分散在水中，搅拌使其混合均匀，在低温水浴中继续搅拌，加入聚合引发剂，搅拌将引发剂混合均匀，反应完成后，抽滤，真空干燥，得聚邻苯二胺基体； 2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素混合置于管式炉中，在氮气保护下，高温热解，得到新型氮掺杂碳复合物材料。
2.如权利要求I所述氮掺杂碳复合物材料的制备方法，其特征在于所述的步骤I)中，将邻苯二胺单体分散在水中，搅拌的时间为5 20min ;后在低温水浴中搅拌时间为2(T50min ;加入引发剂后，搅拌的时间为O. 5 3min。
3.如权利要求I所述氮掺杂碳复合物材料的制备方法，其特征在于所述的步骤I)中，聚合引发剂为过硫酸铵；引发剂与邻苯二胺单体总量的质量比为I : 0.2 1 I。
4.如权利要求I所述氮掺杂碳复合物材料的制备方法，其特征在于所述的步骤I)中，所述低温水浴的温度为(TlO°C ;聚合反应的时间为12 24h ;聚合反应的环境温度为(TlO°C。
5.如权利要求I所述氮掺杂碳复合物材料的制备方法，其特征在于所述的步骤I)中，反应后干燥的温度为4(T75°C ;抽滤时用59TlO%的氨水和二次蒸馏水洗涤数次。
6.如权利要求I所述氮掺杂碳复合物材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中所述聚邻苯二胺基体与尿素的复合，聚邻苯二胺基体与尿素的质量比为1 5^1 15;高温热解的温度为50(T900°C ;时间为2飞h。
7.—种如权利要求I所述方法制备的氮掺杂碳复合物材料用于超级电容器的电极材料。
全文摘要
本发明公开了一种新型氮掺杂碳复合物材料的制备方法及其在超级电容器中的应用，包括以下工艺步骤1)聚邻苯二胺基体的制备将邻苯二胺单体分散在水中，搅拌使其混合均匀，在低温水浴中继续搅拌，加入聚合引发剂，搅拌将引发剂混合均匀，反应完成后，抽滤，真空干燥，得聚邻苯二胺基体；2)聚邻苯二胺基体与尿素的复合将聚邻苯二胺基体与尿素混合置于管式炉中，在氮气保护下，高温热解，得到新型氮掺杂碳复合物材料。这种氮掺杂碳复合物材料活性高，比表面积大，价格低廉，组装成的电容器有较大的比电容值。因而可在低成本的基础上实现超级电容器。
文档编号H01G11/32GK102930997SQ201210475240
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年7月13日
发明者李颖, 姚萌, 刘松琴 申请人:东南大学