一种氮掺杂多孔片层炭及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及炭材料
技术领域
，具体涉及一种氮掺杂多孔片层炭及其制备方法和应用。背景技术
随着以电动车、风力发电、潮汐发电为代表的新能源产业迅猛发展，人们对于高性能储能器件的需求急剧增加。锂离子电容器是一种新型的储能器件，兼具超级电容器高功率密度和锂离子电池高能量密度的优点，受到了业界和研究人员的广泛关注。然而，锂离子电容器的能量密度相对较低(与锂离子电池相比)，制约了其应用和发展，而改进电极材料的性能是提高锂离子电容器能量密度的主要途径之一。
炭材料具有良好的化学稳定性、结构可塑性和导电性，是理想的锂离子电容器电极材料。而且，通过杂原子(例如：B、N、P、O等)对炭材料进行掺杂可以进一步提高炭电极材料的性能，所以杂原子掺杂炭材料的开发成为了当今锂离子电容器领域的研究热点。
氮掺杂炭材料是近些年来研究比较火热的杂原子掺杂炭材料，例如：Xu Yanan等人以Mg粉为模板，以聚吡咯纳米纤维为缓冲剂，利用Mg与CO2之间的氧化还原反应通过气相沉积法制备得到了多孔的氮掺杂炭材料(Adv.Mater.2020,2005531)；Yang Yuqi则是以还原氧化石墨烯为碳源，以水合肼和多巴胺为氮源，通过一步法制备得到了聚多巴胺石墨烯材料。然而，氮掺杂炭材料一直都难以实现商业化生产，原因在于：传统方法在制备炭材料的过程中需要采用浸渍分散和强碱性活化剂活化操作，存在耗时长、能耗高、污染大等问题，且炭材料的产率低，最终导致炭材料的价格居高不下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮掺杂多孔片层炭及其制备方法和应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种氮掺杂多孔片层炭的制备方法包括以下步骤：将含氮化合物、氯化物、活性添加剂和碳源混合加热至共熔，再在保护气氛中进行煅烧，即得氮掺杂多孔片层炭。
优选的，一种氮掺杂多孔片层炭的制备方法包括以下步骤：将含氮化合物、氯化物、活性添加剂和碳源混合加热至共熔，再在保护气氛中进行煅烧，再对煅烧得到的产物进行研磨、洗涤和干燥，即得氮掺杂多孔片层炭。
优选的，所述含氮化合物、氯化物、活性添加剂、碳源的摩尔比为4:6:0～0.15:0.4。
优选的，所述含氮化合物为尿素、硫脲中的至少一种。
优选的，所述氯化物为MgCl2。
进一步优选的，所述氯化物为MgCl2·6H2O。
优选的，所述活性添加剂为FeCl3、ZnCl2中的至少一种。
优选的，所述碳源为蔗糖、葡萄糖、果糖中的至少一种。
优选的，所述加热在70℃～90℃下进行，加热时间为30min～50min。
优选的，所述煅烧在650℃～800℃下进行，保温时间为1h～3h。
优选的，所述保护气氛为氮气气氛或氩气气氛。
本发明的有益效果是：本发明的氮掺杂多孔片层炭具有优异的电化学性能，且制备工艺简单、反应可控、清洁环保、成本低廉，具有很好的工业化应用前景。
具体来说：
1)本发明是将原料混合加热至共熔后再进行煅烧，操作简单，时间短，不需要采用浸渍法来实现活化剂与碳源的充分混合，极大地简化了操作、节省了时间和减少了能耗；
2)本发明采用一锅法直接热解前驱体制备氮掺杂多孔片层炭，无需对原料进行预碳化，简化了步骤，节省了时间与能源；
3)本发明中的液态共熔前驱体有利于工业化的管道运输，工业化生产有优势。
附图说明
图1为实施例1～4中的氮掺杂多孔片层炭的SEM图。
图2为实施例1～4中的氮掺杂多孔片层炭的XRD图。
图3为实施例1～4中的氮掺杂多孔片层炭的氮气吸附-脱附曲线。
图4为实施例1～4中的氮掺杂多孔片层炭制备的锂离子电容器正极材料的倍率性能图。
图5为实施例4中的氮掺杂多孔片层炭制备的锂离子电容器正极材料的循环性能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种氮掺杂多孔片层炭，其制备方法包括以下步骤：
将2.4g(0.04mol)的尿素、12.19g(0.06mol)的MgCl2·6H2O、和1.368g(0.004mol)的蔗糖加入50mL的圆底烧瓶中，再置于80℃油浴中加热40min，形成均一的液态共熔物，再将液态共熔物装入瓷舟后转移至管式炉中，通入氮气，以5℃/min的速率升温至800℃，保温2h，再自然冷却至100℃，再对煅烧得到的产物进行研磨，再加入100mL的烧杯中，加入50mL浓度0.5mol/L的盐酸，常温下磁力搅拌6h，抽滤，将滤得的固体水洗至滤液pH＝7，再置于真空干燥箱中50℃干燥过夜，即得氮掺杂多孔片层炭。
实施例2：
一种氮掺杂多孔片层炭，其制备方法包括以下步骤：
将2.4g(0.04mol)的尿素、12.19g(0.06mol)的MgCl2·6H2O、0.811g(0.0005mol)的FeCl3和1.368g(0.004mol)的蔗糖加入50mL的圆底烧瓶中，再置于80℃油浴中加热40min，形成均一的液态共熔物，再将液态共熔物装入瓷舟后转移至管式炉中，通入氮气，以5℃/min的速率升温至800℃，保温2h，再自然冷却至100℃，再对煅烧得到的产物进行研磨，再加入100mL的烧杯中，加入50mL浓度0.5mol/L的盐酸，常温下磁力搅拌6h，抽滤，将滤得的固体水洗至滤液pH＝7，再置于真空干燥箱中50℃干燥过夜，即得氮掺杂多孔片层炭。
实施例3：
一种氮掺杂多孔片层炭，其制备方法包括以下步骤：
将2.4g(0.04mol)的尿素、12.19g(0.06mol)的MgCl2·6H2O、1.622g(0.001mol)的FeCl3和1.368g(0.004mol)的蔗糖加入50mL的圆底烧瓶中，再置于80℃油浴中加热40min，形成均一的液态共熔物，再将液态共熔物装入瓷舟后转移至管式炉中，通入氮气，以5℃/min的速率升温至800℃，保温2h，再自然冷却至100℃，再对煅烧得到的产物进行研磨，再加入100mL的烧杯中，加入50mL浓度0.5mol/L的盐酸，常温下磁力搅拌6h，抽滤，将滤得的固体水洗至滤液pH＝7，再置于真空干燥箱中50℃干燥过夜，即得氮掺杂多孔片层炭。
实施例4：
一种氮掺杂多孔片层炭，其制备方法包括以下步骤：
将2.4g(0.04mol)的尿素、12.19g(0.06mol)的MgCl2·6H2O、2.433g(0.0015mol)的FeCl3和1.368g(0.004mol)的蔗糖加入50mL的圆底烧瓶中，再置于80℃油浴中加热40min，形成均一的液态共熔物，再将液态共熔物装入瓷舟后转移至管式炉中，通入氮气，以5℃/min的速率升温至800℃，保温2h，再自然冷却至100℃，再对煅烧得到的产物进行研磨，再加入100mL的烧杯中，加入50mL浓度0.5mol/L的盐酸，常温下磁力搅拌6h，抽滤，将滤得的固体水洗至滤液pH＝7，再置于真空干燥箱中50℃干燥过夜，即得氮掺杂多孔片层炭。
性能测试：
1)实施例1～4中的氮掺杂多孔片层炭的扫描电镜(SEM)图如图1所示，X射线衍射谱(XRD)图如图2所示。
由图1可知：采用MgCl2·6H2O作为模板剂可以制备出片层结构的炭材料，且随着活性添加剂的添加量增加炭材料的片层结构分散程度提高，即通过调整活性添加剂的添加量可以调节材料的片层结构。
由图2可知：随着活性添加剂的添加量增加，碳的(002)峰向小角度发生偏移，晶格间距增大。
2)实施例1～4中的氮掺杂多孔片层炭的氮气吸附-脱附曲线如图3所示。
由图3可知：通过调整活性添加剂的添加量可以对氮掺杂多孔片层炭的比表面积和孔结构进行调节，随着活性添加剂的添加量增加氮掺杂多孔片层炭的比表面积增大，且大孔所占的比例增加。
3)实施例1～4中的氮掺杂多孔片层炭制备的锂离子电容器正极材料的倍率性能图如图4所示。
由图4可知：本发明的氮掺杂多孔片层炭作为锂离子电容器正极材料，放电比容量高达97.25mAh/g(电流密度为0.25A/g)，在电流密度10A/g时放电比容量为58mAh/g，表现出良好的倍率性能。
4)实施例4中的氮掺杂多孔片层炭制备的锂离子电容器正极材料的循环性能(8000次循环)图如图5所示。
由图5可知：本发明的氮掺杂多孔片层炭作为锂离子电容器正极材料在循环8000次后放电比容量的保持率仍然可以达到94％，表现出优异的循环性能。
5)实施例1～4中的氮掺杂多孔片层炭的氮含量、比表面积、总孔体积和微孔体积测试结果如下表所示：
表1氮掺杂多孔片层炭的氮含量、比表面积、总孔体积和微孔体积测试结果
由表1可知：通过调整活性添加剂FeCl3的比例可以调节氮掺杂多孔片层炭的比表面积和氮元素含量，比表面积随着FeCl3添加剂比例增加而增加，同时微孔体积也随之增加，氮含量随着FeCl3添加比例的增大先升高后降低。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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