氮掺杂壳聚糖基活性炭及其制备方法

氮掺杂壳聚糖基活性炭及其制备方法

申请号：201210464890.2

申请日：2012-11-19

申请(专利权)人大连理工大学

地址116024 辽宁省大连市高新园区凌工路2号

发明(设计)人邱介山凌铮肖南于畅张梦迪程晓伟

主分类号C01B31/08(2006.01)I

分类号C01B31/08(2006.01)I H01G11/34(2013.01)I

公开(公告)号102951636A

公开(公告)日2013-03-06

专利代理机构大连星海专利事务所 21208

代理人徐淑东

(10)申请公布号 CN 102951636 A

(43)申请公布日 2013.03.06C N 102951636 A

*CN102951636A*

(21)申请号 201210464890.2

(22)申请日 2012.11.19

C01B 31/08(2006.01)

H01G 11/34(2013.01)

(71)申请人大连理工大学

地址116024 辽宁省大连市高新园区凌工路

2号

(72)发明人邱介山 凌铮 肖南 于畅

张梦迪 程晓伟

(74)专利代理机构大连星海专利事务所 21208

代理人徐淑东

(54)发明名称

氮掺杂壳聚糖基活性炭及其制备方法

(57)摘要

本发明提供了用生物质衍生物合成氮掺杂活

性炭。一种氮掺杂壳聚糖基活性炭，其以壳聚糖

为原料，活性炭的氮含量为2-8wt%，比表面积为

600～1100m 2/g ，孔径分布为0.46～1.5nm 。本

发明壳聚糖基氮掺杂活性炭是以壳聚糖为原料，

通过溶解及冷冻干燥，然后经高温碳化制备得到。

本发明通过溶解壳聚糖减弱壳聚糖分子间的作用

力，经冷冻干燥控制壳聚糖干凝胶的整体结构，增

大壳聚糖碳化产物的孔隙率和比表面积，得到具

有高比表面积的壳聚糖基氮掺杂活性炭。实现了

不消耗强酸强碱制备高性能活性炭的环境友好工

艺，避免了传统活性炭制备工艺中大量使用活化

剂和水等高成本且环境不友好的工序。同时，制备

壳聚糖基氮掺杂活性炭具有制备工艺简单，设备

简单易得等优点。

(51)Int.Cl.

权利要求书1页 说明书4页 附图1页

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请

权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页

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1.一种氮掺杂壳聚糖基活性炭，其特征是：其以壳聚糖为原料，活性炭的氮含量为2-8 wt%，比表面积为600 ~ 1100 m 2/g ，孔径分布为0.46 ~ 1.5 nm 。

2.根据要求1所述的氮掺杂壳聚糖基活性炭及其制备方法，其特征是：具体步骤如下：

1）溶解壳聚糖：

以每克壳聚糖加入35-350 mL 去离子水的比例配制壳聚糖的悬浊液，搅拌5-30分钟；然后以每克壳聚糖加入0.001-0.05摩尔的盐酸的比例加入盐酸，室温下搅拌2-24小时得到壳聚糖的水溶液;

2）冷冻干燥壳聚糖溶液：

将得到的壳聚糖溶液冷冻成固态，然后在冷冻干燥机内进行冷冻干燥得到壳聚糖干凝胶;

3）惰性气体下高温碳化壳聚糖干凝胶：

将步骤2得到的壳聚糖干凝胶在惰性气体下以1-20 °C/min 的速度升温至700-1000°C ，恒温1-6小时，恒温结束后自然冷却至室温;

4）高温碳化产物经研磨后过300-500目筛子除去大颗粒物质, 然后经沸水煮沸90-240分钟，抽滤后得到滤饼，真空干燥12小时得到超级电容器电极材料。

3.根据权利要求2所述的氮掺杂壳聚糖基活性炭制备方法，其特征是：所述盐酸的物质量浓度为0.05-3 mol/L 。

4.根据要求2所述的氮掺杂壳聚糖基活性炭制备方法，其特征是：所述壳聚糖溶液的冷冻温度为零下5°C 到零下196°C ，冷冻的时间为0.1-24小时。

5.根据要求2所述的氮掺杂壳聚糖基活性炭制备方法，其特征是：所述的惰性气体是氮气、氩气或氦气。权 利 要 求 书CN 102951636 A

氮掺杂壳聚糖基活性炭及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于无机非金属材料科学技术分支——炭素材料科学技术领域和超级电容器储能领域，尤其涉及氮掺杂壳聚糖基活性炭和其制备方法，以及将这种材料用作超级电容器电极材料的技术。

背景技术

[0002] 超级电容器是一种极具发展潜力的储能设备，它具有倍率特性高，循环寿命长，使用温度范围广，免维护和绿色环保等优点。超级电容器兼具传统电容器的高倍率特性和二次电池高能量密度的特性，是一种用途广泛的储能装置，被广泛用作计算机存储器的后备电源，新能源发电的储存系统以及电动汽车的供能系统等。由于超级电容器的能量利用率高，使用寿命长，因此在节能环保方面极具潜力，在化石能源日益紧缺的危机下成为工业界和学界广泛关注的研究热点。

[0003] 电极材料是超级电容器的重要部件，是决定超级电容器性能的物质基础。炭材料以其良好的导电性，极大的比表面积，可调控的孔尺寸和结构，优异的稳定性以及丰富的原料等一系列优点成为了超级电容器理想的电极材料，备受学界和工业界的关注。

[0004] 化石燃料、合成有机高分子、生物质及其衍生物是目前制备用于超级电容器的炭材料的主要原料，而合成有机高分子的原料也源自非可再生的化石燃料。由于化石燃料储量有限，不可再生，且开采和利用过程严重污染环境，因此利用可再生的生物质及其衍生物制备高性能炭材料是超级电容器电极材料发展的一个重要方向。禚淑萍等在“一种用于离子液体超级电容器介孔碳电极材料的制备方法”（CN 101767784）中，通过活化剂浸渍甘蔗渣，然后经微波活化得到用于超级电容器的介孔碳电极材料。李保强等在“壳聚糖质活性炭及其制备方法”（CN 101780955）中，通过金属离子溶液活化处理壳聚糖，然后经微波碳化得到活性炭。然而上述报道的方法中均需要使用大量的酸、碱或者金属离子溶液作为活化剂，活化结束后需要使用大量的水处理得到的材料。因此这类方法极大的增加了生产成本，且存在水资源浪费，环境污染等一系列问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种氮掺杂壳聚糖基活性炭，微孔炭材料氮含量高，质量比表面积和质量比电容大。另外本发明还涉及氮掺杂壳聚糖基活性炭的制备方法，制备过程简单，不使用腐蚀性的活化剂，生产成本低且生产过程绿色环保。

[0006] 本发明是通过以下技术方案得以实现的：一种氮掺杂壳聚糖基活性炭，以壳聚糖为原料，活性炭的氮含量为2-8 wt%，比表面积为600 ~ 1100 m2/g，孔径分布为0.46 ~ 1.5 nm。

[0007] 本发明氮掺杂壳聚糖基活性炭及其制备方法，具体步骤如下：

1）溶解壳聚糖：

以每克壳聚糖加入35-350 mL去离子水的比例配制壳聚糖的悬浊液，搅拌5-30分钟；