一种基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法，属于超级电容器电极炭 材料领域。 二、
【背景技术】
[0002] 超级电容器作为一种新型的储能器件，具有高功率、循环寿命长、充放电速度快、 效率高、对环境无污染、使用温度范围宽和安全性高等特点，成为新能源领域的应用热点。 而电极材料作为超级电容器最重要的组成部分，它的组成和结构对超级电容器的性能起着 至关重要的影响。炭电极材料作为超级电容器用电极材料，是研究最早技术最成熟的电极 材料。
[0003]目前，多孔炭材料的合成方法是多种多样的，但大部分都需要物理活化或是化学 活化，具有尚能耗、尚污染、尚腐蚀等缺点。t旲板炭化法是最近兴起的一种制备超级电容器 用多孔炭材料的方法。该方法是选用纳米孔隙结构的材料作为模板，向其孔隙中注入炭前 驱体，并通过高温炭化和去除模板，即可得到具有微观和宏观可控结构的多孔炭材料。
[0004] 在模板炭化制备多孔炭材料的工艺中，选取适宜的炭前驱体对于产品的结构和性 能起到了非常重要的影响。叶酸是黄色或橙黄色结晶性粉末，其结构示意图如下所示，含有 较多的碳、氮、氧、氢等元素，通过炭化路线可以制备出氮掺杂的多孔炭材料。
[0005]
[0006]专利CN102976305A通过合成中孔氧化硅球为模板，合成的酚醛树脂作为炭前驱 体；制备酚醛树脂/模板复合物；制备炭/模板复合材料。再进一步去除模板，制得中孔炭 材料。但是，该类氧化硅模板通常需要氢氟酸等腐蚀性酸进行模板移除，不绿色、环保。
[0007] 本发明中，采用乙酸锌作为模板，可以在高温下（>950°C)直接挥发去除（金属锌 的沸点为908°C)，无需进一步的酸洗等后处理过程，大大优化了氮掺杂多孔炭材料的合成 工艺。 三、
【发明内容】
[0008] 本发明旨在提供一种基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法，是以叶酸为碳源和 氮源，乙酸锌为模板剂，通过直接的模板-炭化-氮化路线制备氮掺杂多孔炭材料，本方法 操作简便、超电容性能优异、易于规模化工业生产。
[0009] 本发明基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法，包括如下步骤：
[0010] 按质量比5:1~1:5的比例称取叶酸和乙酸锌，研磨均匀后移至水平管式炉瓷舟 中，通入氩气30min，随后将水平管式炉以5~20°C/min的升温速率加热到950~1400°C， 并在氩气气氛中保温2~10h;将所得产物用去离子水洗涤后于120°C真空干燥12小时，即 可得到氮掺杂的多孔炭材料。
[0011] 实验电极的制作：
[0012] 以乙醇为溶剂，将80质量份的炭材料样品、15质量份的乙炔黑和5质量份的聚四 氟乙烯（PTFE)粘合剂混合均匀得到混合物浆液，随后在20MPa压力下将该混合物浆液压到 集流体泡沫镍上，随后在120°C下真空干燥24小时，即得炭材料电极。
[0013] 电化学性能测试：
[0014] 在三电极体系中，以铂电极（6cm2)为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极、炭材料 电极为工作电极，利用K0H溶液（6mol/L)为电解液。采用电化学工作站进行循环伏安、恒 流充放电及交流阻抗等电化学测试。
[0015] 本发明通过调控叶酸与乙酸锌的质量比、炭化温度、炭化时间和升温速率等因素， 可以一步法实现模板-炭化-氮化工艺合成氮掺杂多孔炭材料（无需后续的酸洗等处理工 艺）。
[0016] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0017] 1、本发明以廉价、易得的叶酸为碳源和氮源，可以直接一步法实现炭材料的炭化 与氮化，无需后期的进一步氮化处理。
[0018] 2、乙酸锌可以在炭化过程中热分解为ZnO,进而被炭材料还原为金属锌，接下来在 炭化温度超过金属锌的沸点后（908°C)，可以通过金属气体挥发的方式随着氩气排出管式 炉。这类金属氧化物（ZnO)或是金属单质（Zn)等物质在多孔炭材料的形成过程中都充当 了良好的模板作用，有利于形成炭材料的多孔结构。
[0019] 3、本发明采用乙酸锌为模板，无需进一步的酸洗等后处理过程，大大优化了氮掺 杂多孔炭材料的合成工艺。
[0020] 4、本发明所得到的多孔炭材料具有孔结构分布均匀且简单可调、比电容高、循环 性能好等特点。在lA/g的电流密度下，充放电比电容可达259. 6F/g。循环5000次之后，充 放电比电容保持率高达97. 4 %。
[0021] 5、本发明反应周期短，易于操作，对反应条件要求不高，可实现超级电容器用多孔 炭材料的规模化工业生产。 四、【附图说明】
[0022] 图1为实施例1制得的炭材料样品的透射电镜（TEM)照片。从图1中可以看出炭 材料呈现非晶多孔结构。
[0023] 图2为实施例2制得的炭材料样品的透射电镜（TEM)照片。从图2中可以看出炭 材料呈现非晶多孔结构。 五、
【具体实施方式】
[0024] 实施例1 :
[0025] 按质量比3:1称取叶酸和乙酸锌进行充分研磨，然后将其移至水平管式炉瓷舟 中，通入氩气30min，随后将水平管式炉以5°C/min的升温速率加热到1000°C，并在氩气气 氛中保温4h;将所得产物用去离子水洗涤后于120°C真空干燥12小时，即可得到氮掺杂的 多孔炭材料。
[0026] 实施例2 :
[0027] 按质量比1:2称取叶酸和乙酸锌进行充分研磨，然后将其移至水平管式炉瓷舟 中，通入氩气30min，随后将水平管式炉以10°C/min的升温速率加热到1200°C，并在氩气气 氛中保温2h;将所得产物用去离子水洗涤后于120°C真空干燥12小时，即可得到氮掺杂的 多孔炭材料。
[0028] 实施例3:
[0029] 按质量比1:5称取叶酸和乙酸锌进行充分研磨，然后将其移至水平管式炉瓷舟 中，通入氩气30min，随后将水平管式炉以15°C/min的升温速率加热到950°C，并在氩气气 氛中保温l〇h;将所得产物用去离子水洗涤后于120°C真空干燥12小时，即可得到氮掺杂的 多孔炭材料。
[0030] 实施例4:
[0031] 按质量比5:1称取叶酸和乙酸锌进行充分研磨，然后将其移至水平管式炉瓷舟 中，通入氩气30min，随后将水平管式炉以20°C/min的升温速率加热到1400°C，并在氩气气 氛中保温6h;将所得产物用去离子水洗涤后于120°C真空干燥12小时，即可得到氮掺杂的 多孔炭材料。
[0032] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法，其特征在于包括如下步骤： 称取叶酸和乙酸锌，研磨均匀后移至水平管式炉瓷舟中，通入氩气，随后将水平管式 炉升温至950~1400°C，并在氩气气氛中保温2~IOh ;将所得产物用去离子水洗涤后于 120°C真空干燥12小时，即可得到氮掺杂的多孔炭材料。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于： 叶酸和乙酸锌的质量比为5:1~1:5。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于： 水平管式炉的升温速率为5~20°C /min。
【专利摘要】本发明公开了一种基于叶酸制备氮掺杂多孔炭材料的方法，是以叶酸为碳源和氮源，乙酸锌为模板剂，通过直接的模板-炭化-氮化路线制备氮掺杂多孔炭材料。本发明通过调控叶酸与乙酸锌的质量比、炭化温度、炭化时间和升温速率等因素，可以一步法实现模板-炭化-氮化工艺合成氮掺杂多孔炭材料(无需后续的酸洗等处理工艺)。本发明涉及的生产工艺方法简单，易于操作，合成周期短等优点，适合于超级电容器电极多孔炭材料的规模化工业生产。
【IPC分类】C01B31/02
【公开号】CN105129768
【申请号】CN201510502169
【发明人】张忠洁, 曹晏
【申请人】安徽大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月14日