一种氮掺杂活性炭的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氮掺杂活性炭的制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002]含氮基热固性聚合物，例如聚酰胺、聚苯并咪唑、聚酰亚胺等，其具有很好的热机械性能，抗化学腐蚀性能、电性能等可以很好的用于制备泡沫，胶黏剂，汽车，航空，电子设备等。但是众所周知，热固性聚合物具有“不溶不熔”的性能。所以一经制备成型很难改造，用过后的产品很难处理，一般降解工艺要求较高，成本较高，并且其降解要很长时间。
[0003]传统的能源来源日益消耗殆尽，刺激人们去寻找可替代的能源和有效的能量贮存装置，超级电容器由于其具有功率密度高、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，在混合电动车、电动车和后备电源等领域有着很好的应用前景，倍受人们的关注。
[0004]活性炭是因具有超大的比表面、化学性能稳定、较好的导电性能等优点，成为了超级电容器电极的重要材料之一。
[0005]所以考虑是否可以将制得的含氮基热固性聚合物再次进行利用，制备含氮的活性炭物质，将其应用于电容器中。合理再次利用，环保节能，工艺简单，成本低，具有重要的实际应用价值。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决含氮基热固性聚合物的废弃物降解工艺复杂，成本较高以及不能用于超级电容器中的问题，提供一种氮掺杂活性炭的制备方法及其应用。
[0007]本发明一种氮掺杂活性炭的制备方法，按如下步骤进行:
[0008]一、将对苯二胺、多聚甲醛和氮甲基吡咯烷酮放入三颈瓶中，氮气环境保护，磁力搅拌，反应结束后温度降至室温，获得缩醛胺动态共价网络结构聚合物凝胶状物质；
[0009]二、将缩醛胺动态共价网络结构聚合物凝胶状物质用丙酮沉降，抽滤真空干燥得到缩醛胺动态共价网络结构聚合物产物；
[0010]三、将缩醛胺动态共价网络结构聚合物产物置于管式炉中进行高温热解，即得氮掺杂活性炭；其中对苯二胺和多聚甲醛的摩尔比为1: (I?6)，对苯二胺与氮甲基吡咯烷酮的摩尔体积比lmmol: (2ml?5ml)。
[0011]本发明氮掺杂活性炭的应用是指将氮掺杂活性炭应用于超级电容器中，应用方法为:采用泡沫镍作为集流体，以氮掺杂活性炭、乙炔黑和PVDF按质量比8:1:1制备工作电极，以商业用活性炭、乙炔黑、PVDF按质量比8:1:1制备对电极，组装电化学电容器。
[0012]本发明的制备设备简单，环保节能，将制得的不溶不熔的热固性聚合物进行适当处理，可再次利用，且操作简单，易于大规模生产；所获得的氮掺杂活性炭可以用做超级电容器电极材料，制备的电极材料可保持稳定可逆的电化学特性，且随着扫描速度的增加，响应电流依次增大，说明具有较好的倍率性能。
【附图说明】
[0013]图1为实施例1所获得的氮掺杂活性炭制备的超级电容器用工作电极的照片；
[0014]图2为实施例1获得的氮掺杂活性炭为工作电极组装的超级电容器照片；
[0015]图3为实施例1所获得的以氮掺杂活性炭制备的工作电极在6M氢氧化钾电解液中的不同扫描速度下的循环伏安曲线；其中a为lmV/s，b为3mV/s，c为5mV/s ；
[0016]图4为本发明实施例1所获得的以氮掺杂活性炭制备的工作电极在6M氢氧化钾电解液中的恒电流充放电曲线；其中a为ΙΑ/g，b为2A/g，c为3A/g，d为4A/g，e为5A/g ；
[0017]图5为本发明实施例1所获得的以氮掺杂活性炭制备的工作电极在6M氢氧化钾电解液中依据恒电流充放电曲线计算所得的比电容曲线；
[0018]图6为本发明实施例2获得的以氮掺杂活性炭制备的工作电极在IM硫酸钠电解液中的不同扫描速度下的循环伏安曲线；其中a为lmV/s，b为8mV/s，c为10mV/s ；
[0019]图7为本发明实施例3获得的以氮掺杂活性炭制备的工作电极在IM硫酸钠电解液中的恒电流充放电曲线；其中a为0.5A/g，b为ΙΑ/g，c为2A/g，d为3A/g ；
[0020]图8为本发明实施例3获得的以氮掺杂活性炭制备的工作电极在IM硫酸钠电解液中依据恒电流充放电曲线计算所得的比电容曲线。
【具体实施方式】
[0021]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0022]【具体实施方式】一:本实施方式一种氮掺杂活性炭的制备方法，按如下步骤进行:
[0023]一、将对苯二胺、多聚甲醛和氮甲基吡咯烷酮放入三颈瓶中，氮气环境保护，磁力搅拌，反应结束后温度降至室温，获得缩醛胺动态共价网络结构聚合物凝胶状物质；
[0024]二、将缩醛胺动态共价网络结构聚合物凝胶状物质用丙酮沉降，抽滤真空干燥得到缩醛胺动态共价网络结构聚合物产物；
[0025]三、将缩醛胺动态共价网络结构聚合物产物(PHDN)置于管式炉中进行高温热解，即得氮掺杂活性炭；其中对苯二胺和多聚甲醛的摩尔比为1: (I?6)，对苯二胺与氮甲基吡略烧酮的摩尔体积比lmmol: (2ml?5ml)。
[0026]本实施方式的氮掺杂活性炭的应用是指将氮掺杂活性炭应用于超级电容器中，应用方法为:采用泡沫镍作为集流体，以氮掺杂活性炭、乙炔黑和PVDF按质量比8:1:1制备工作电极，以商业用活性炭、乙炔黑、PVDF按质量比8:1:1制备对电极，组装电化学电容器。
[0027]本实施方式的制备设备简单，环保节能，将制得的不溶不熔的热固性聚合物进行适当处理，可再次利用，且操作简单，易于大规模生产；所获得的活性炭可以用做超级电容器电极材料，制备的电极材料可保持稳定可逆的电化学特性，且随着扫描速度的增加，响应电流依次增大，说明具有较好的倍率性能。
[0028]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中对苯二胺和多聚甲醛的摩尔比为1:5。其它与【具体实施方式】一相同。
[0029]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:步骤一中对苯二胺与氮甲基吡咯烷酮的摩尔体积比lmmol:3ml。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0030]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤一中磁力搅拌是指在50°C的条件下磁力搅拌24h。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0031]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:步骤三中所述的高温热解的方法为:将所述PHDN置于瓷舟中，然后放入管式炉；向管式炉中通入氮气或氩气除氧气3?8h，并将氮气或氩气作为保护气，再将管式炉以3?5°C /min的速率升温至200°C，然后以0.5?2°C /min的速率升温至450°C，再以2?6°C /min的速率升温至600°C?1100°C，保持2?4h ;然后以3?5°C /min的速率降温至400°C，再降至室温，即完成。其它与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0032]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤三中所述的高温热解的方法为:将所述PHDN置于瓷舟中，然后放入管式炉；向管式炉中通入氮气或氩气除氧气6h，并将氮气或氩气作为保护气，再将管式炉以5°C /min的速率升温至200°C，然后以1°C /min的速率升温至450°C，再以4°C /min的速率升温至700°C，保持2h ；然后以5°C /min的速率降温至400°C，再降至室温，即完成。其它与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0033]【具体实施方式】七:本实施方式氮掺杂活性炭的应用是指将氮掺杂活性炭应用于超级电容器中，应用方法为:采用泡沫镍作为集流体，以氮掺杂活性炭、乙炔黑和PVDF按质量比8:1:1制备工作电极，以商业用活性炭、乙炔黑、PVDF按质量比8:1:1制备对电极，组装电化学电容器。
[0034]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】七不同的是:应用的具体方法为:一、将泡沫镍板裁成I X Icm2的正方形，随后用点焊机将镍条与裁好的泡沫镍焊接在一起构成集流体；二、将聚偏氟乙烯溶于N-甲基吡咯烷酮，配成质量分数为4%的PVDF/NMP溶液，作为粘结剂；三、将氮掺杂活性炭、乙炔黑、PVDF固含量按质量比8:1:1混合，置于容器中，磁力搅拌5?24h，然后均匀的刮涂在集流体上，再100°C真空干燥12h，然后置于油压机中，再用I?1MPa的压力将压实，即为超级电容器用工作电极。其它与【具体实施方式】七相同。
[0035]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】七或八不同的是:所述的超级电容器的参比电极为汞/氧化汞，电解液为6M氢氧化钾。其它与【具体实施方式】七或八相同。
[0036]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】七至九之一不同的是:所述的超级电容器的参比电极为银/氯化银，电解液为IM硫酸钠。其它与【具体实施方式】七至九之一相同。
[0037]通过以下实施例验证本发明的有益效果:
[0038]实施例1、一种氮掺杂活性炭的制备方法，是按如下步骤进行:
[0039]一、将1mmol对苯二胺、50mmol多聚甲醛和30mL氮甲基吡咯烷酮放入三颈瓶中，氮气环境保护，50°C磁力搅拌24h，反应结束后温度降至室温，获得1.3000g缩醛胺动态共价网络结构聚合物凝胶状物质；
[0040]二、将