三氧化二铋／氮掺杂分级多孔碳复合材料及其制备与应用

本发明涉及超级电容器电极材料，尤其是一种三氧化二铋/氮掺杂分级多孔碳复合材料及其制备与应用。

背景技术：

1、超级电容器是一种具有高功率密度，快速充放电速度和超长使用寿命的新型储能器件，广泛应用于汽车、航天、军工等领域。从充、放电机理上来看，超级电容器的电极材料可以分为两种：一种是依靠电解液离子的吸附脱附进行储能的双电层电容材料，主要是碳材料；一种是依靠氧化还原反应进行储能的赝电容材料，主要是过渡金属氧化物和导电聚合物。其中，过渡金属氧化物因其具有超高的理论电容量而受到广泛研究。目前，已有mno2、fe2o3、moo3、v2o5、co3o4、tio2、ruo2和bi2o3等众多过渡金属氧化物被研究作为超级电容器电极材料。大多数的金属氧化物的工作电压窗口在正电压区间，适合作为超级电容器的正极材料。只有少部分的金属氧化物的电压窗口在负电位区间，适合用作负极材料。bi2o3便是其中之一。

2、尽管bi2o3具有非常高的理论比电容(大约1370f g-1)，但获得具有良好循环稳定性的实际容量仍然具有挑战性。并且bi2o3材料的倍率性能也不尽如人意，其在高电流密度下的电容量衰减的非常厉害。这主要是因为具有半导体性质的bi2o3电导率较低，阻碍了电极中的电子/离子传输，氧化还原反应动力学缓慢，并且在长时间的充放电过程中容易发生体相上的改变。碳材料用于超级电容器电极具有成本低廉、导电性良好、循环性能稳定等优点，是研究最早技术最成熟的，但其存在最大的问题就是能量密度不高。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种三氧化二铋/氮掺杂分级多孔碳复合材料及其制备与应用，目的是获得高性能的超级电容器负极材料。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本申请提供一种bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，包括：

4、(1)将鱼腥草洗净、干燥，粉碎成粉末，与活化剂、氮掺杂剂混合并搅拌均匀得混合物；在惰性气体保护下，将所述混合物进行高温活化，然后冷却至室温，得到黑色产物；将黑色产物经酸洗、水洗、干燥后，得到鱼腥草基氮掺杂分级多孔碳；

5、(2)将所述鱼腥草基氮掺杂分级多孔碳和bi(no3)3·5h2o用去离子水混合，搅拌均匀，再加入氨水，充分搅拌，得到混合液并过滤，将得到的固态物用乙醇和去离子水冲洗干净，然后干燥，得到固体产物；

6、(3)对所述固体产物进行恒温煅烧，得到bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料。

7、进一步技术方案为：

8、鱼腥草、活化剂和氮掺杂剂的质量比为2:(0.5-2):(0.5-2)。

9、所述鱼腥草基氮掺杂分级多孔碳和bi(no3)3·5h2o的质量比为2:(0.5-2)。

10、所述活化剂为氢氧化钾；所述氮掺杂剂为三聚氰胺。

11、步骤(2)中，加入氨水直到混合液ph值达到9，然后停止。

12、步骤(1)中，将所述混合物在管式炉中进行高温活化，温度为600-900℃，时间为1-3h。

13、步骤(3)中，将所述固体产物放置到管式炉中进行恒温煅烧，煅烧温度为400-600℃。

14、本申请还提供一种根据所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法制得的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料。

15、本申请还提供一种所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料用作超级电容器负极材料。

16、本发明的有益效果如下：

17、本发明以五水硝酸铋为原料，通过煅烧法将bi2o3负载到鱼腥草基氮掺杂分级多孔碳表面，得到用于超级电容器电极(负极)的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料。其中，分级多孔结构可起到bi2o3的物理支撑作用，为bi2o3的生长提供了足够的空间，还为更快的电荷传输提供通道。分级多孔结构在溶液浸泡过程中，使得bi(no3)3·5h2o容易扩散到孔隙内部，利于晶体在大大小小的孔结构中的形成，并且可以为bi2o3的生长提供活性位点，两者共同作用下提高了bi2o3分布的均匀性，阻碍bi2o3的团聚，可以有效提高作为超级电容器电极材料的性能。

18、本发明采用氮掺杂，利用分级多孔碳表面的氮原子增强bi2o3和多孔碳之间的界面效应，阻碍bi2o3的团聚，强化了碳-金属氧化物之间的相互作用，使获得的复合材料具有优异的电化学性能。

19、本发明制备的是碳与金属氧化物复合的复合材料，可以发挥不同材料的优势，弥补各自的不足。纯碳材料是依靠电解液离子的吸附脱附产生电容，其容量是非常有限的。而通过与金属氧化物复合之后，可以在碳表面形成大量的电化学活性位点，依靠氧化还原反应产生大量电容，从而大幅提高电极材料的容量。

20、本申请以生物质鱼腥草为前驱体，原料价格低廉，具有来源广泛、再生速度快以及环境友好等优点。

21、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

技术特征：

1.一种bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，鱼腥草、活化剂和氮掺杂剂的质量比为2:(0.5-2):(0.5-2)。

3.根据权利要求1所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述鱼腥草基氮掺杂分级多孔碳和bi(no3)3·5h2o的质量比为2:(0.5-2)。

4.根据权利要求1所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述活化剂为氢氧化钾；所述氮掺杂剂为三聚氰胺。

5.根据权利要求1所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，加入氨水直到混合液ph值达到9，然后停止。

6.根据权利要求1所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将所述混合物在管式炉中进行高温活化，温度为600-900℃，时间为1-3h。

7.根据权利要求1所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，干燥温度为30-80℃。

8.根据权利要求1所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将所述固体产物放置到管式炉中进行恒温煅烧，煅烧温度为400-600℃。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料的制备方法制得的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料。

10.一种如权利要求9所述的bi2o3/氮掺杂分级多孔碳复合材料用作超级电容器负极材料。

技术总结
本发明涉及一种三氧化二铋/氮掺杂分级多孔碳复合材料及其制备与应用，制备方法包括：将鱼腥草洗净干燥，粉碎成粉末，与活化剂、氮掺杂剂混合并搅拌均匀得混合物；在惰性气氛下，将混合物高温活化，然后冷却至室温得到黑色产物；将黑色产物经酸洗、水洗、干燥后，得到鱼腥草基氮掺杂分级多孔碳，将其和Bi(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;3</subgt;·5H<subgt;2</subgt;O用去离子水混合，搅拌均匀再加入氨水，充分搅拌得到混合液并过滤，将得到的固态物冲洗干净并干燥得到固体产物；将固体产物恒温煅烧，得到Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;/氮掺杂分级多孔碳复合材料。分级多孔结构为Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;的生长提供了足够的空间，氮掺杂增强了Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;和多孔碳之间的界面效应，使复合材料具有优异的电化学性能。

技术研发人员：沈德魁,朱伟伟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5