一种制备表面负载Ni-CoLDHs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料的方法

本发明属于电化学材料制备，具体涉及一种利用水热制备表面负载ni-co ldhs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料的方法。

背景技术：

1、超级电容器是一种新型的能量转换和存储装置，由于高功率密度、快速充/放电速率、优异的循环稳定性和长的使用寿命而受到了广泛的关注。根据储能机制，超级电容器可分为双电层电容器、赝电容器以及电池型超级电容器。碳基材料如活性炭、碳纳米管和石墨烯是最常用的双电层电容器电极材料。活性炭因其高比表面积、良好的导电性和优异的化学稳定性而被广泛研究。生物质衍生的多孔碳由于原材料的各种微观结构和富含杂原子的特点，表现出更优异的电化学性能。通过添加氮掺杂剂尿素，可以进一步提高生物质碳的氮掺杂量。生物质碳中的掺杂杂原子不仅增加了离子吸附的活性位点，而且提高了电极的润湿性，从而提高了充电/放电速率，使用生物质作为替代原料，以低成本、可持续和环保的方式制备多孔碳材料是一种可行的办法。尽管双电层电容器表现出优异的电化学性能，但也存在一些限制，如相对较低的比容量和低能量密度阻碍了其实际应用。因此研究了由过渡金属氧化物/氢氧化物和导电聚合物制成的赝电容以及电池型超级电容器作为替代的电极材料。与碳材料相比，这些材料通过可逆的法拉第反应存储电荷，并达到更高的比容量和能量密度。一些过渡金属化合物，如ruo2、mno2等，与双电层电容器一样，呈现出充放电曲线呈线性电位与时间响应的赝电容特性；而另一些则显示出充电/放电曲线明显平台的电池类型特征，例如一些基于铁、镍和钴的化合物。在这当中，ni-co ldhs显示出作为电池型超级电容器电极材料的巨大潜力。超高理论比电容源于具有可变价态的双金属组合物和具有高比表面积的层状结构。然而，纯的ni-co ldhs导电性低和稳定性差，这阻碍了它们在超级电容器中的应用。

2、本发明以一步碳化活化制得氮掺杂生物质多孔碳，再通过水热法在其表面负载ni-co ldhs纳米片，其中多孔碳作为电子传输的桥梁，能够显著增强ni-co ldhs纳米片的电活性，内部分级的孔道可以有效地促进电解质扩散；此外，ni-co ldhs纳米片位于相互连接的碳框架上，可以大大增强电荷转移过程。因此，这种结构可以保持较高的完整性，提高电导率，缩短氧化还原反应发生时的反应路径，从而提供优异的电化学性能，有望成为充满活力和应用前景的重要研究方向之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术的不足，解决过渡金属化合物导电性低、稳定性差的问题，提供一种利用水热制备表面负载ni-co ldhs的氮掺杂生物质多孔碳复合材料的方法。通过改变水溶液中镍、钴离子的物质的量浓度之比，可以实现对ni-co ldhs纳米片形貌和组成的调控和优化。

2、本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：

3、一种利用水热制备表面负载ni-co ldhs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料的方法，具体步骤如下：

4、（1）将生物质原料、氮掺杂剂和活化剂氢氧化钾在85℃水浴和机械搅拌的条件下溶解在水中，形成凝胶；

5、（2）将步骤（1）得到的凝胶在85℃的水浴中静置半小时以除去凝胶中因搅拌形成的气泡，然后在70℃的烘箱中干燥过夜，得到干凝胶；

6、（3）将步骤（2）得到的干凝胶在650℃、氮气保护下热解2 h，得到氮掺杂的生物质多孔碳；

7、（4）将步骤（3）得到的氮掺杂生物质多孔碳加入到含有一定浓度的硝酸钴、硝酸镍以及六亚甲基四胺溶液中，搅拌、超声混合均匀；

8、（5）将步骤（4）得到的混合液置于水热釜中，在95℃的水热条件下进行反应一定时间后，经离心、洗涤并干燥得到表面负载ni-co ldhs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料。

9、进一步地，步骤（1）中所述的生物质原料为糯米粉或淀粉。

10、进一步地，步骤（1）中所述的氮掺杂剂为尿素、三聚氰胺等。

11、进一步地，步骤（1）中所述的活化剂在凝胶中的质量分数为50%。

12、进一步地，步骤（4）中所述的氮掺杂生物质多孔碳的加入量为30 mg。

13、进一步地，步骤（4）中所述硝酸钴与硝酸镍的物质的量之比为0.1:3 ~ 3:0.1，总浓度为0.1 mol/l，六亚甲基四胺浓度为0.2 mol/l。

14、进一步地，步骤（5）中所述的水热反应时间为9-12 h。

15、应用：表面负载ni-co ldhs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用。

16、本发明的有益效果在于：

17、（1）通过调整硝酸钴与硝酸镍的物质的量浓度之比，制备了不同形貌的表面负载ni-co ldhs的氮掺杂生物质多孔碳复合材料。

18、（2）氮掺杂生物质多孔碳通过一步活化碳化得到，避免了繁琐的制备工艺，成本低廉，适合大面积推广应用。

19、（3）利用水热制备表面负载ni-co ldhs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料，使得ni-co ldhs纳米片负载于多孔碳孔道上，其中多孔碳作为电子传输的桥梁，能够显著增强ni-co ldhs纳米片的电活性，内部层次丰富的孔道可以有效地促进电化学测试过程中的电解质扩散；此外，ni-co ldhs纳米片位于相互连接的碳框架上，可以大大增强电荷转移过程。因此，这种结构可以保持较高的完整性，提高电导率，缩短氧化还原反应发生时的反应路径，从而提供优异的电化学性能。

技术特征：

1. 一种利用水热制备表面负载ni-co ldhs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的生物质原料为可以发生糊化的糯米粉或淀粉。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的氮掺杂剂为尿素或三聚氰胺。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的活化剂氢氧化钾在凝胶中的质量分数为50%。

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中所述的硝酸钴与硝酸镍的物质的量之比为0.1:3 ~ 3:0.1，总浓度为0.1 mol/l，六亚甲基四胺浓度为0.2 mol/l。

6. 根据权利要求1-5任一项所述的方法制得的表面负载ni-co ldhs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料。

7. 根据权利要求6所述的表面负载ni-co ldhs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料作为电极在制备超级电容器中的应用。

技术总结
本发明属于超级电容器电极材料制备技术领域，具体涉及一种制备表面负载Ni‑Co LDHs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳复合材料的方法。本发明以生物质材料为前驱体进行热解，再通过水热实现了表面负载Ni‑Co LDHs纳米片的氮掺杂生物质多孔碳(Ni‑Co LDHs/NPC)复合材料的制备，并通过改变水溶液中镍离子、钴离子的浓度比，实现对Ni‑Co LDHs纳米片形貌和组成的调控和优化。制备的多孔碳复合材料具有较高的Ni‑Co LDHs负载量，在1 A g<supgt;−1</supgt;时表现出1164.5 F g<supgt;−1</supgt;的高比电容，以制备的Ni‑Co LDHs/NPC复合材料作为电极制备的超级电容器表现出良好的电化学性能。

技术研发人员：赵玉来,侯琳熙,肖龙强,张龙泉,陈文问,沈炼之
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1