一种非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法与流程

本发明属于改性纳米碳材料，具体涉及到一种非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法。

背景技术：

1、近些年来，具有灵活性好、重量轻、安全性优等特点的小型便携设备，在智能手机、电子文件、可穿戴或折叠电子等领域得到了越来越多的关注。较传统电容器具有更高功率密度、更快充放电速度、更优循环稳定性的超级电容器已经成为新型崛起并快速发展的能源。虽然超级电容器的功率密度较大，但是其能量密度较低，这从一定程度上来说限制了它的发展。为了在不降低功率密度和不缩短循环寿命的同时提升能量密度，探索发展高性能的超级电容器成为目前最主要的尝试。按照电荷储存原理的不同，超级电容器可以分为双电层型超级电容器、法拉第赝电容型超级电容器和混合型超级电容器。当前广泛研究的三种超级电容器电极材料中，金属氧化物的价格不低且化学性质不够稳定，有些甚至对环境很不友好；导电聚合物的循环稳定性不好，对环境也有污染，这些都很大程度上限制了它们在超级电容器中的发展和应用。最早开始研究的碳材料稳定性好且来源广泛，但是其内阻较大，比电容较低。基于以上背景，想要制备出性能较优的碳基电极材料，可以试着考虑增强其氧化还原活性，让其产生相应的赝电容效应，并尝试调控其多孔结构和增加其比表面积。

2、非溶剂致相转换法是一种在液相转换为固相过程中造孔的方法，主要原理为利用聚合物在不同溶剂中的溶解度不同进行相分离。主要步骤为：首先将聚合物溶解在一种试剂中形成均匀的溶液，然后将该溶液加入聚合物的不良溶剂，令聚合物形成固相得以从两种溶剂中分离出来。由于聚合物在非溶剂中浸渍沉淀诱导的相转化过程，容易形成具有隧道状大孔和介孔的非对称多孔聚合物膜，因此广泛应用于热分解法制备多孔炭前驱体的过程。

3、研究表明，多孔的结构有利于电解液中阴阳离子的迁移、储存还有渗透。同时，掺杂的碳电极材料和没有任何掺杂的碳材料相比，表现出更加优异的电容性能。所以掺杂的碳电极材料被认为是超级电容器的电极材料中的潜力股，被广泛地研究。金属有机框架(mofs)作为一种新型纳米多孔材料，具有孔隙率高、比表面积大、孔径规则可调、互穿孔结构丰富、易于功能化等优点，有利于离子传输和电荷存储。此外，mof中的有机配体可以引入大量的杂原子。有研究表明，mof热解后产生的活性位点均匀分散，暴露的活性位点可以增加法拉第电荷存储，这能够有效提高超级电容器的电化学储能性能。其中，由于zif-8、zif-67煅烧后可制得不同形貌的多孔碳材料(如：碳纳米颗粒、碳纳米笼、碳纳米管等)，因此在吸附、催化、传感、医学等领域呈现出巨大的发展潜力和诱人的发展前景。为此，在制备超级电容器电极材料的过程中，若尝试将mof材料作为造孔模板，通过煅烧热解，不仅能够实现更多孔隙的形成，同时还可以提升杂原子的掺杂水平。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法，其包括如下步骤：

5、制备p-zif-8材料：制备含有六水合硝酸锌的a液和含有二甲基咪唑的b液，混合a、b液，搅拌均匀后离心干燥，制得p-zif-8材料；

6、pan-pz膜的制备：将制得的p-zif-8材料和pan粉末混合搅拌分散于n,n-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后制膜，制得膜后转移至饱和nacl溶液中浸泡，制得pan-pz膜；

7、煅烧烘干：将制得的pan-pz膜在空气中保持置于加热环境下，自然冷却后高温煅烧，煅烧后去除残余zn2+，离心，然后烘干制得最终产物pc-pzc，即非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料。

8、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：

9、制备p-zif-8材料：制备含有六水合硝酸锌的a液和含有二甲基咪唑的b液，混合a、b液，搅拌均匀后离心干燥，制得p-zif-8材料；

10、pan-pz膜的制备：将制得的p-zif-8材料和pan粉末混合搅拌分散于n,n-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后制膜，制得膜后转移至饱和nacl溶液中浸泡，制得pan-pz膜；

11、煅烧烘干：将制得的pan-pz膜在空气中保持置于加热环境下，自然冷却后高温煅烧，煅烧后去除残余zn2+，离心，然后烘干制得最终产物pc-pzc，即非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料。

12、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：pan-pz膜的制备中，按照重量计，pan：p-zif-8＝20:1～5:1。

13、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：pan-pz膜的制备中，pan的重量为250～1000mg，p-zif-8的重量为25～100mg。

14、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：制备p-zif-8材料中，a液包括p123、六水合硝酸锌和甲醇，b液包括二甲基咪唑和甲醇。

15、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：按照重量体积计，a液中，p123：六水合硝酸锌＝0.024g：0.08g：1ml。

16、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：按照重量体积计，b液中，二甲基咪唑：甲醇＝5.2g：30ml。

17、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：煅烧烘干中，pan-pz膜在空气中保持置于加热环境下为按照3℃/min的升温速度下升到250℃，保持2h，然后自然冷却到室温。

18、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：煅烧烘干中，高温煅烧为在保护性气氛下进行高温煅烧，所述保护性气氛为ar，所述高温为800℃，煅烧1h。

19、作为本发明所述非溶剂相诱导分离多孔石墨化碳氮电极材料的制备方法的一种优选方案，其包括如下步骤：pan-pz膜的制备中，在饱和nacl中浸泡6h。

20、本发明有益效果：

21、本方案的原材料经济易得，成本不高，且操作简单，对设备要求不高，方便大规模的生产。

22、本发明使用非溶剂相诱导分离法制备的多孔石墨化碳氮材料具有优秀的电化学储能性质，可作为超级电容器电极材料。

23、本发明以p123作为表面活性剂和造孔剂，zif-8作为多孔模板，通过简单的非溶剂相诱导分离转化，再进一步高温煅烧使其发生化学转换，得到多孔的氮掺杂碳材料。该材料具有以下优点：1.该材料中的掺杂的氮元素具有氧化还原活性，可以提高其赝电容；2.p123作为表明活性剂和造孔剂，有利于均匀且多孔结构的形成，zif-8自身多孔的存在不仅能够很好地提升电双层电容，还尽可能的增多了材料与电解质离子的接触概率，增大接触面积，从而可以有效地提高赝电容；3.原材料易得且价格低廉，制备过程简单，能够实现大规模生产。将所制得的材料作为超级电容器的电极材料，研究并测试其电化学性质，实验数据表明其该材料具有很高的比电容特性，很有希望在实际生产与应用中崭露头角。