本发明涉及超级电容器电极材料
技术领域：
，是一种煤基硼掺杂纳米炭片电极材料及其制备方法。
背景技术：
：超级电容器是一种重要的电化学储能设备，其性能取决于电容器所用的电极材料。炭材料是最常见的商用电极材料。活性炭材料具有较大的比表面积、良好的导电性和循环性能、制备工艺简单、原料丰富、成本较低，最早应用于超级电容器电极材料。但是，活性炭也存在一些固有的缺陷，其粒径大，孔道杂乱无章、分布不均匀、大多数以微孔为主。这限制了电解液对其表面的充分的浸润，且阻碍了离子在电极材料中的扩散，从而其导致储能容量低，且大电流性能不佳，限制了其在高性能超级电容器电极材料中的应用。我国煤炭资源储量丰富，煤种齐全。煤基炭材料是现代煤化工的一种重要产品，但是其制备过程污染严重、原料损失率大、能耗高、附加值低，不符合可持续发展战略和环保要求。开发一种新型低污染方法宏量制备高性能、高附加值煤基炭电化学储能电极材料不仅能够实现煤炭资源的充分有效利用，而且能够极大程度上降低环境污染、增加经济效益。技术实现要素：本发明提供了一种煤基硼掺杂纳米炭片电极材料及其制备方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有存在电容器电极材料的电极容量小、倍率特性差，大电流充放电性能不佳和循环稳定性不高的问题。本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：第一步，将煤炭粉碎，筛分处理后，得到煤粉，将煤粉与强氧化剂溶液混合搅拌均匀，进行液相氧化反应，得到氧化煤溶液，将氧化煤溶液洗涤至中性后烘干，得到氧化煤；第二步，将所需量的氧化煤和硼酸按重量比为1:0.1至10的比例在去离子水中溶解后混合均匀，得混合溶液；第三步，将混合溶液烘干，得到混合物，将混合物在保护气体的气氛下，按5℃/min速度的升温程序，由室温升到600℃至900℃，对混合物进行炭化处理；第四步，将炭化处理后的混合物样品经去离子水洗涤至洗涤液为中性时，对混合物样品进行干燥，得到煤基硼掺杂纳米炭片电极材料。下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：上述强氧化剂溶液为浓硫酸、浓硝酸的混合溶液，其中，混合溶液中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。上述筛分处理时使用200目的筛分仪器。上述保护气体为氮气。上述将混合溶液烘干的温度设置为100℃至120℃。本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种煤基硼掺杂纳米炭片电极材料的制备方法，按照下述步骤进行：第一步，将煤炭粉碎，筛分处理后，得到煤粉，将煤粉与强氧化剂溶液混合搅拌均匀，进行液相氧化反应，得到氧化煤溶液，将氧化煤溶液洗涤至中性后烘干，得到氧化煤；第二步，将所需量的氧化煤和硼酸按重量比为1:0.1至10的比例在去离子水中溶解后混合均匀，得混合溶液；第三步，将混合溶液烘干，得到混合物，将混合物在保护气体的气氛下，按5℃/min速度的升温程序，由室温升到600℃至900℃，对混合物进行炭化处理；第四步，将炭化处理后的混合物样品经去离子水洗涤至洗涤液为中性时，对混合物样品进行干燥，得到煤基硼掺杂纳米炭片电极材料。下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：上述强氧化剂溶液为浓硫酸、浓硝酸的混合溶液，其中，混合溶液中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。上述筛分处理时使用200目的筛分仪器。上述保护气体为氮气。上述将混合溶液烘干的温度设置为100℃至120℃。本发明以来源广泛的煤和廉价的硼酸作为原料，通过硼模板诱导掺杂的制备方法得到；本发明用于超级电容器电极材料，具有电极容量大、倍率特性好、大电流充放电性能和循环稳定性能更优异的特点；本发明制备方法简单，耗时短，成本低，能实现煤炭资源的有效利用和极大程度上降低环境污染，适用于宏量制备。附图说明附图1为本发明实施例7得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料的sem图。附图2为本发明实施例8得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料的sem图。具体实施方式本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。本发明中所提到各种化学试剂和化学用品如无特殊说明，均为现有技术中公知公用的化学试剂和化学用品；本发明中的百分数如没有特殊说明，均为质量百分数；本发明中的溶液若没有特殊说明，均为溶剂为水的水溶液，例如，盐酸溶液即为盐酸水溶液；本发明中的常温、室温一般指15℃到25℃的温度，一般定义为25℃。下面结合实施例对本发明作进一步描述：实施例1：该煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，按照下述步骤得到：第一步，将煤炭粉碎，筛分处理后，得到煤粉，将煤粉与强氧化剂溶液混合搅拌均匀，进行液相氧化反应，得到氧化煤溶液，将氧化煤溶液洗涤至中性后烘干，得到氧化煤；第二步，将所需量的氧化煤和硼酸按重量比为1:0.1至10的比例在去离子水中溶解后混合均匀，得混合溶液；第三步，将混合溶液烘干，得到混合物，将混合物在保护气体的气氛下，按5℃/min速度的升温程序，由室温升到600℃至900℃，对混合物进行炭化处理；第四步，将炭化处理后的混合物样品经去离子水洗涤至洗涤液为中性时，对混合物样品进行干燥，得到煤基硼掺杂纳米炭片电极材料。该发明煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，在电流密度为1a/g时的电极容量可达200f/g以上，在电流密度为50a/g时的电极容量下可达150f/g以上，并且在电流密度为10a/g下循环10000圈，电极容量保持率达至100%。实施例2：该煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，按照下述步骤得到：第一步，将煤炭粉碎，筛分处理后，得到煤粉，将煤粉与强氧化剂溶液混合搅拌均匀，进行液相氧化反应，得到氧化煤溶液，将氧化煤溶液洗涤至中性后烘干，得到氧化煤；第二步，将所需量的氧化煤和硼酸按重量比为1:0.1或10的比例在去离子水中溶解后混合均匀，得混合溶液；第三步，将混合溶液烘干，得到混合物，将混合物在保护气体的气氛下，按5℃/min速度的升温程序，由室温升到600℃或900℃，对混合物进行炭化处理；第四步，将炭化处理后的混合物样品经去离子水洗涤至洗涤液为中性时，对混合物样品进行干燥，得到煤基硼掺杂纳米炭片电极材料。实施例3：作为上述实施例的优化，强氧化剂溶液为浓硫酸、浓硝酸的混合溶液，其中，混合溶液中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。实施例4：作为上述实施例的优化，筛分处理时使用200目的筛分仪器。实施例5：作为上述实施例的优化，保护气体为氮气。实施例6：作为上述实施例的优化，将混合溶液烘干的温度设置为100℃至120℃。实施例7：该煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，按照下述步骤得到：第一步，将煤炭粉碎，使用200目的筛分仪器筛分处理后，得到煤粉，将煤粉与强氧化剂溶液混合搅拌均匀，进行液相氧化反应，得到氧化煤溶液，将氧化煤溶液洗涤至中性后烘干，得到氧化煤，其中，强氧化剂溶液是体积比为3:1的浓硫酸、浓硝酸的混合溶液；第二步，将1g氧化煤和0.5g硼酸在25ml去离子水中溶解后混合均匀，得混合溶液；第三步，温度设置为120℃的条件下，将混合溶液烘干，得到混合物，将混合物在保护气体为氮气的气氛下，按5℃/min速度的升温程序，由室温升到600℃，对混合物进行炭化处理；第四步，将炭化处理后的混合物样品经去离子水洗涤至洗涤液为中性时，对混合物样品进行干燥，得到煤基硼掺杂纳米炭片电极材料。实施例8：该煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，按照下述步骤得到：第一步，将煤炭粉碎，使用200目的筛分仪器筛分处理后，得到煤粉，将煤粉与强氧化剂溶液混合搅拌均匀，进行液相氧化反应，得到氧化煤溶液，将氧化煤溶液洗涤至中性后烘干，得到氧化煤，其中，强氧化剂溶液是体积比为3:1的浓硫酸、浓硝酸的混合溶液；第二步，将1g氧化煤和0.25g硼酸在30ml去离子水中溶解后混合均匀，得混合溶液；第三步，温度设置为120℃的条件下，将混合溶液烘干，得到混合物，将混合物在保护气体为氮气的气氛下，按5℃/min速度的升温程序，由室温升到900℃，对混合物进行炭化处理；第四步，将炭化处理后的混合物样品经去离子水洗涤至洗涤液为中性时，对混合物样品进行干燥，得到煤基硼掺杂纳米炭片电极材料。。根据实施例7、实施例8得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料的数据如表1。由表1可以看出，本发明制备的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，孔结构既有微孔又有中孔，而大的比表面积和可控的硼掺杂量，能够提供丰富的储能活性位点和离子迁移通道。根据实施例7得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料的sem图为图1，由图1可以看出，实施例7得到的硼掺杂煤基纳米片材料呈现较小的片状结构，分布较为紧密。根据实施例8得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料的sem图为图2，由图2可以看出，实施例8得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料呈现较大的片状结构，分布均匀。根据实施例7得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，进行电化学性能测试，在电流密度为1a/g时电极容量可达200f/g，在电流密度为50a/g时电极容量可达150f/g，在电流密度为10a/g下循环10000圈，电极容量保持率达至100%。根据实施例8得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，进行电化学性能测试，在电流密度为1a/g时电极容量可达220f/g，在电流密度为50a/g时电极容量可达170f/g，在电流密度为10a/g下循环10000圈，电极容量保持率达至100%。因此，根据实施例7、实施例8得到的煤基硼掺杂纳米炭片电极材料，可通过控制温度制备具有分散均匀、较大的比表面积、能提供丰富的储能活性位点及离子迁移通道，具有较高的电极容量、较好的电流充放电性能和循环稳定性能和超长的使用寿命。综上所述，本发明以来源广泛的煤和廉价的硼酸作为原料，用于超级电容器电极材料，具有电极容量大、倍率特性好、大电流充放电性能和循环稳定性能更优异的特点；本发明制备方法简单，耗时短，成本低，能实现煤炭资源的有效利用和极大程度上降低环境污染，适用于宏量制备。以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。表1比表面积g/m2总孔体积g/m3微孔体积g/m3中孔体积g/m3实施例712103.0810.4082.673实施例813121.6010.5211.08当前第1页12