李 璐,高长青,刘怡琳,王 雪,李建生,刘炳光
(1.天津职业大学生物与环境工程学院,天津300410;2.内蒙古天宇达生物科技有限公司)
氮杂化介孔碳是在有序介孔碳的骨架中掺入氮原子部分取代碳原子形成的一种新型碳材料。氮杂化介孔碳与氮杂化石墨烯有许多相似之处,它的纳米尺寸效应不及石墨烯和纳米碳管,却具有生产成本低廉的优点。氮杂化介孔碳具有优异的性价比,更容易实现商业化应用。
氮杂化改变了介孔碳的化学组成,增强了其骨架结构强度,改变了其孔道结构、表面性质,增加了大量化学活性位,增大了其吸附容量和吸-脱附速度。氮杂化介孔碳是现有介孔碳的升级换代产品。目前已有综述文献介绍了多级孔碳材料的合成及应用,但较少涉及混合聚合物炭化法和共聚物炭化活化等新型的氮杂化介孔碳制备方法[1-3]。笔者结合项目组对氮杂化介孔碳的制备研究,综述了氮杂化介孔碳的制备方法及其在超级电容器中应用的最新进展。
氮杂化介孔碳也属于含有微孔、 介孔和大孔的多级孔碳材料,只是其孔径分布比较窄,介孔比例大于70%。氮杂化介孔碳的制备方法与现有多级孔碳的制备方法理应相同,包括硬模板法、软模板法、软硬模板结合法、混合聚合物炭化法、共聚物炭化法、共聚物炭化活化结合法等。
1.1.1 硬模板法
利用材料的内表面或外表面为模板,将碳前驱体填充到模板间隙中,经过炭化和模板去除工序,得到反相复制模板结构的介孔碳材料。尺寸为2~50 nm 的二氧化硅粒子和分子筛是最常用的硬模板。将含氮树脂或前驱体溶液浸渍填充到纳米SiO2粒子之间的孔隙中,树脂固化后高温炭化形成氮杂化介孔碳/SiO2复合材料,再用HF 或KOH 溶液浸渍溶去纳米SiO2硬模板,就形成了结构有序的氮杂化介孔碳。通过调节纳米SiO2模板粒子的大小,可以方便地控制氮杂化介孔碳的平均孔径为3~20 nm。
Li 等[4]以 三 聚 氰 胺 树 脂 为 前 驱 体、SiO2为 硬 模板制备了掺氮介孔碳小球,其比表面积为1460 m2/g、氮质量分数为6%、比电容可达159 F/g,在超级电容器方面应用极具潜力。Ferrero 等[5]以吡咯为前驱体、核壳结构SiO2为模板制备了孔径可调的氮掺杂中空碳球,0.1 A/g 电流密度下比电容最高可达240 F/g。由于SiO2硬模板的制备和除去工艺过于复杂,除去SiO2所需的氢氧化钠或氢氟酸是其物质的量的数倍,导致氮杂化介孔碳制备的原料消耗大和成本高,且过程危险,易对环境造成污染。
1.1.2 软模板法
软模板一般是由表面活性剂聚集而成。将可溶性树脂、 含氮有机固化剂和表面活性剂溶液混合反应,形成的含氮聚合物与表面活性剂由于氢键和静电作用自组装形成含氮聚合物/表面活性剂复合材料沉淀,高温炭化除去复合材料沉淀中的软模板得到氮杂化介孔碳。
潘旭晨等[6]以F127 为模板、间苯二酚和甲醛原位聚合树脂为碳源、尿素为氮源,制备了氮掺杂有序介孔碳-Ni 纳米复合材料,具有良好的电催化性能。Wang 等[7]以三嵌段共 聚物F127 为模板、低 聚酚醛树脂为碳源、三聚氰胺为氮源,通过水热和炭化过程制备了氮杂化多级孔碳球材料,具有1200 m2/g 的大比表面积和15.5%(质量分数)的高含氮量。三聚氰胺在反应过程中形成碳氮化物,其刚性骨架可以阻滞除模板和炭化过程中孔结构坍塌现象。
软模板法虽然解决了模板材料去除难题,但是作为模板剂的表面活性剂消耗量巨大,依然存在原料成本过高的问题。
1.1.3 软硬模板结合法
软硬模板结合法同时采用软模板和硬模板。其中,软模板主要用作形成结构有序的微孔,硬模板主要用作形成介孔和作为碳骨架支撑体,以防止孔道结构高温下坍塌。林倩等[8]以壳聚糖为碳、氮源,以F127 为软模板、正硅酸乙酯水解形成的硅胶为硬模板,经过炭化和除去模板工序,得到氮杂化介孔碳。该方法仍不能克服模板剂制备工艺复杂、 化学原料消耗量大、氢氟酸污染环境的问题,难以进行扩大实验和工业化应用。
1.2.1 聚合物炭化法
将含氮聚合物在缺氧条件下高温炭化,经裂解-凝聚得到氮杂化多级孔碳。李莹等[9]以聚丙烯腈(PAN)为前驱体,制备具有发达三维网络结构的大/中孔PAN 纤维,采用水合肼和盐酸羟胺处理使PAN纤维在产生交联反应的同时进一步引入氮原子,制备了富氮多孔碳纤维,在电流密度为0.1 A/g 时比电容为222 F/g。Zhou 等[10]以从杨树皮中提取的酚醛树脂为碳源,通过干燥、炭化制备出具有微孔-介孔-大孔的多级孔碳材料,在KOH 电解质中比电容可达255 F/g,在0.2~40 A/g 电流密度下比电容保持率为67.8%,表现出良好的速率性能和循环稳定性。该方法原料成本低、环境友好。如果严格控制炭化温度、炭化时间和保护气体组成条件,可以直接得到氮杂化介孔碳。无需采用昂贵的模板剂,制备工艺比较简单。
1.2.2 混合聚合物炭化法
将一种难以高温裂解的含氮高分子聚合物(例如,聚丙烯腈)和另一种容易高温裂解的聚合物(例如,聚乙烯醇树脂)溶于有机溶剂中形成混合溶液,溶剂挥发后形成在分子水平均匀混合的聚合物固体。高温炭化时,难以高温裂解的聚合物脱去氢和氧原子形成骨架碳,容易高温裂解的聚合物裂解气化,从而在骨架碳上留下大量介孔通道,直接得到氮杂化介孔碳。
由于形成介孔的数量严重依赖于易高温裂解树脂的比例,若易裂解树脂的比例比较低,混合聚合物炭化方式制备的氮杂化介孔碳的比表面积就比较小,往往需要进一步活化才能满足超级电容器对比表面积的应用要求。
1.2.3 聚合物炭化活化结合法
由于含氮聚合物在缺氧条件下高温炭化形成的掺氮介孔碳的比表面积不高,限制了其应用范围。通常需要在活化剂作用下进一步活化,在树脂碳表面刻蚀形成大量介孔和微孔,提高其比表面积。
李莹[11]以聚丙烯腈为前驱体,用KOH 活化,制备了富氮层次三维网络大中孔结构的碳纤维,氮质量分数为6.2%、比表面积为2176 m2/g,用于超级电容器的比电容为329 F/g。冷爽等[12]以聚多巴胺球为前体、KOH 为活化剂,通过高温炭化活化成功制备了良好电化学性能的氮掺杂多孔碳材料。辛冉冉等[13]以聚氨酯发泡剂为碳源和氮源,以氢氧化钾为活化剂,采用一步化学活化法制备了具有高比表面积的氮掺杂活性炭,在组装的对称超级电容器中比电容达到344 F/g。
聚合物炭化物活化需要在高温下长时间进行才能提高比表面积和介孔率,活化过程中碳原子气化损耗高达50%。此外,在高温下掺杂的氮原子不断裂解气化,降低了氮掺杂介孔碳中的氮含量。
1.2.4 共聚物炭化法
共聚物炭化法是将容易高温裂解的聚合物牺牲链段(例如,甲基丙烯酸甲酯)和难以高温裂解的聚合物保留链段(例如,丙烯腈)共聚在一个共聚物分子中。当共聚物在高温下炭化时,保留链段脱去氢和氧等杂原子形成骨架碳,牺牲链段气化,在骨架碳上留下大量介孔通道和微孔通道。
李晓明[14]以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈为单体,制备了以苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯为牺牲链段、丙烯腈为保留链段的嵌段共聚物。通过高温炭化调控碳材料的孔结构,得到具有介孔-大孔的多级孔结构碳材料。经过氧化改性,其电化学性能显著改善,比电容提高到116.5~137.5 F/g。
1.2.5 共聚物炭化活化结合法
共聚物炭化形成的氮杂化介孔碳具有将比表面积进一步提高的应用需要和潜力,可以对其进一步活化,以增多微孔数量和增大介孔比例。
魏星等[15]将甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈聚合后的产物进行炭化和活化,得到具有大孔、介孔和微孔的氮杂化层次孔碳纳米材料,将其组装为对称超级电容器,能量密度和功率密度分别达到19.6 W·h/kg和200 W/kg,高于一些商业化电容器。笔者项目组[16]以苯酚为碳源、尿素为氮源,与甲醛化合物反应形成嵌段共聚酚醛脲醛树脂,进一步炭化和模拟烟道气体活化得到氮杂化介孔碳,其氮质量分数为5%~10%、碳质量分数为75%~85%、孔径为4~6 nm、介孔率为70%~80%、比表面积为1500~2500 m2/g。采用分段聚合方式合成嵌段共聚酚醛脲醛树脂,避免了无规酚醛脲醛共聚物的形成,在高温下共聚物中的碳-碳主链不容易裂解气化,始终能保持稠环结构,从而大大提高了炭化活化的收率。目前正对制备氮杂化介孔碳的反应过程和碳材料的形貌结构变化进行系统研究。
氮杂化介孔碳制备一般需要碳源和氮源两种必需的原料。理论上任何有机物质都能作为氮杂化介孔碳制备的碳源。事实上小分子有机物的炭化收率极低,因为在500~850 ℃下炭化活化时,小分子有机物基本都裂解气化了,并不能高收率地得到氮杂化介孔碳产品。只有那些在高温下能够裂解-凝聚为稳定稠环化合物的有机聚合物才适合作为氮杂化介孔碳的碳源[17]。
理论上任何含氮物质都能作为氮杂化介孔碳制备的氮源。事实上氮原子在骨架碳中的保留率很低。文献中把高温下仍与骨架碳稳定结合的氮原子称为结构氮。只有那些高温下比较稳定、能够裂解-凝聚为稳定氮杂环化合物的含氮物质才适合作为氮杂化介孔碳的氮源。
高含氮量的芳香聚合物无疑是氮杂化介孔碳制备的优选原料,其分子中同时含有氮杂化介孔碳制备的碳源和氮源,通常选择聚丙烯腈作为氮杂化介孔碳制备的原料;其次选择酚醛类树脂作为碳源、三聚氰胺作为氮源制备氮杂化介孔碳;其他作为碳、氮源的原料还有聚苯胺、聚吡咯、聚多巴胺和一些结构复杂的化合物等。
常丽娟等[18]以间苯二酚和甲醛为反应前驱体、三聚氰胺为氮源,通过溶胶-凝胶法制备出氮掺杂碳气凝胶,并对其进行CO2活化得到活化氮掺杂碳气凝胶,比表面积高达4082 m2/g,供电子能力较强的吡咯氮含量有所增加,比电容高达211.9 F/g,经过1200 次充放电比电容保持在98%以上。Silvesrtre-Albero 等[19]通过聚苯胺的炭化及氢氧化钾活化,制备了微孔-介孔多级孔结构的氮杂化碳材料,比表面积高达4000 m2/g。王洪湖[20]以聚吡咯纤维为前驱体、ZnCl2为活化剂,制备了微孔-介孔含氮碳纤维,比表面积为1062 m2/g。作为超级电容器的电极材料,其比电容为180.5~290.2 F/g。其良好的电化学性能归因于高氮含量、高比表面积和适当的孔径分布。
由于石化资源的短缺,利用生物质和工业有机废弃物制备氮杂化介孔碳逐渐受到关注。Hou 等[21]以生物质衍生的天然丝质物为原料,通过炭化活化制备了多级孔氮掺杂碳纳米片层,具有高达2494 m2/g的比表面积、 高达2.28 cm3/g 的孔容、4.7%(质量分数)的高含氮量以及大量缺陷位。由于这些特征的协同效应,用作锂离子电池电极材料时表现出高达1865 mA·h/g 的比容量。蔡周阳等[22]以魔芋粉作为碳源、三聚氰胺作为氮源、氢氧化钾作为活化剂,制备了具有氮掺杂的多孔碳基材; 将硫负载在该多孔碳基材中,并将其用作锂硫电池的正极材料,同样能够作为超级电容器的电极材料。蔡敏等[23]利用啤酒厂废弃物硅藻土作为模板剂和碳源,以双氰胺为氮源、升华硫为硫源,经高温煅烧、热熔融制备得到氮掺杂多孔碳/硫基复合材料,并将其作为锂硫电池的正极材料,同样能够作为超级电容器的电极材料。
工业有机废物为碳、 氮来源不仅能够解决企业环保处理的难题,而且能够提供廉价的原料。王传亮等[24]研究了以煤焦油的蒽油馏分为碳源、廉价的富氮物质三聚氰胺为氮源,采用纳米二氧化硅为模板,通过一步共炭化法原位制备了氮掺杂介孔碳,探索煤焦油的高值化利用途径。抗生素等药物的生产过程中产生大量的酚类废物,由于含有难于降解的芳烃结构,其合理处置一直是世界性难题。笔者项目组[25]以对羟基苯海因生产危废为原料,利用其可聚合且富含氮元素可实现氮元素原位掺杂的特性,首先与甲醛反应形成嵌段共聚酚醛脲醛类树脂,进一步炭化和气体活化制备氮杂化介孔碳,所得到的氮杂化介孔碳材料中氮质量分数为2%~5%、碳质量分数为90%-95%、 孔径为4~20 nm、 介孔率为70%~80%、比表面积为1500~2500 m2/g,适用于超级电容器和锂电池电极材料,为酚类废物综合利用提供了新路线,受到相关企业的关注和支持,已进入中试技术开发阶段。以工业有机废物为碳、氮源制备氮杂化介孔碳的原料成本低,制备工艺简便、环境友好,能够大大地提高氮杂化介孔碳制备的技术经济性。
碳材料是最早用作超级电容器电极的材料,现有的活性碳电极材料存在稳定性较差、导电性不良、不利于电子转移、电解质传输滞缓等缺点,影响超级电容器容量的进一步提高。通过化学氧化、热处理、表面沉积和化学修饰等后处理措施改进碳材料性能的研究报道比较多。但是原位制备新型碳材料电极的研究相对比较少。超级电容器对新型碳材料电极的要求行业中归纳为“六高一良好”,即高比表面积、高表观密度、高中孔率、高电导率、高纯度和高性价比以及良好的电解液浸润性。
氮杂化介孔碳具备新一代超级电容器电极材料的基本条件,其优点包括:1)化学惰性,不发生电极反应,可以形成稳定双电层;2)具有介孔结构、高比表面积,可以吸附更多电解质;3)双电层电容和赝电容协同发挥作用,能够产生大比电容;4)漏电流低,与其他材料相容性好,可以提高容量的稳定性;5)具有一定的导电性,可以减少电极材料的内阻;6)性价比高,便于大规模商业化推广应用;7)具有良好的电解液浸润性,提高了表面积利用率和电解质的传输能力,充放电速度快。
超级电容器主要是利用储存在碳电极/电解液界面双电层的能量,碳材料的比表面积是决定电容器容量的重要因素,此外孔径分布、表面官能团、导电性和润湿性对电容器性能也有极大的影响。
3.2.1 比表面积的影响
理论上碳材料比表面积越大比电容越大,但是实际情况比较复杂,比电容与比表面积并不成正比。比表面积增大只增加了质量比电容,却降低了体积比电容,同时降低了材料的导电性。
3.2.2 孔径分布的影响
作为超级电容器的碳电极材料,在具有大比表面积的同时必须具有适宜的孔径分布,研究发现高比电容只有在孔径处于介孔尺寸时才能获得,电解液如果不能顺畅地在微孔中传输,这部分微孔面积就不能利用起来发挥作用。
3.2.3 表面官能团的影响
碳材料表面官能团也会影响超级电容器的性能,氮杂化介孔碳中氮官能团的引入增加了官能团数量,大大提高了超级电容器的比电容。表面官能团主要通过两种途径发挥作用:1)改变材料表面的润湿性能,使电解液容易传输,提高了表面积利用率;2)氮官能团自身发生可逆的氧化还原反应,从而额外提供了赝电容,与原有的双电层电容发生协同作用。
3.2.4 导电性的影响
碳材料的电导率直接影响超级电容器的充放电性能。碳材料的电导率随比表面积的增大而降低,其原因一方面是孔壁上的碳含量随比表面积的增大而减少; 另一方面是碳颗粒之间的接触电阻随比表面积的增大而增大。碳材料电极的导电性很大程度上是其吸附的电解液发挥导电作用,碳材料电极能否很好地被电解液润湿也将对其导电性产生很大的影响。氮杂化介孔碳的孔径比微孔大,电解液传输比较容易,氮杂化后电解液的润湿性能比较好,从而提高了氮杂化介孔碳电极的导电性能。
3.2.5 润湿性的影响
碳材料电极的微孔和碳颗粒孔隙中浸渍有电解液,双电层是在碳材料表面和电解液界面形成的,碳材料能否被电解液充分润湿,对于提高超级电容器容量和降低内阻具有重要作用。氮杂化介孔碳中的氮原子以化学氮和结构氮等形式存在,氮原子能够显著改善其润湿性能。
赝电容也称为法拉第准电容,分为吸附赝电容和氧化还原赝电容,是指在电极表面上活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附-脱附或者氧化还原反应,从而产生法拉第电容。在氮杂化介孔碳材料上吸附和沉积导电聚合物和金属氧化物,就形成了同时具有双电层电容特征和赝电容特征的电极,可以组成具有高比电容的混合型超级电容器。
超级电容器中经典的氧化还原活性物质主要是氧化钌、氧化锰、氧化钴和氧化镍等。它们与氮杂化介孔碳复合能够提高比电容10 倍以上。可变价态的过渡金属氧化物都是潜在的氧化还原活性物质,可用于增加赝电容提高氮杂化介孔碳的比电容。陈文等[26]利用有序介孔碳提供的双电层电容和层状过渡金属氧化物MoO3提供的赝电容的共同作用,提高电容器的综合电化学性能。
共聚物炭化时容易裂解的聚合物链段气化形成大量介孔,由于微孔数量较少、形成氮杂化介孔碳的比表面积不高,需要进一步活化提高其比表面积和比电容。催化活化法温度比气体活化法温度低,碳、氮原子气化损耗相对较低,可以得到氮含量高的氮杂化介孔碳。一般选用的催化活化剂是钴盐、镍盐和铁盐为代表的过渡金属盐。催化活化剂原位加入介孔碳前驱体中或沉积在炭化物表面,在活化过程中刻蚀碳化物表面形成大量微孔,大大提高了其比表面积。同时也能作为增加氮杂化介孔碳赝电容的活性物质。赵捷等[27]以原位聚合法制备的煤基聚苯胺为C 源和N 源、羰基铁粉为催化剂,制得掺氮量为0.26%(质量分数)的多孔碳/Fe,单极比电容达到392 F/g。
在共聚物炭化活化制备氮杂化介孔碳过程中的孔结构通道塌陷、收缩和封闭,导致比表面积和介孔比例降低。研究人员在氮杂化介孔碳制备中引入少量纳米金属氧化物作为支撑体,以防止孔结构通道塌陷的发生。可作为支撑体的纳米金属氧化物一般是氧化钌、氧化锰、氧化钴和氧化镍等。孙立贤等[28]以琼脂、三聚氰胺、硝酸铁和表面活性剂F127 通过水浴低温加热合成含氮凝胶,然后冷冻干燥、氮气氛围炭化,再与碱均匀混合,经活化处理得到掺氮多孔碳材料,作为超级电容器电极材料的比电容达到289~382 F/g。
超级电容器介孔碳材料电极是将介孔碳、 导电组分和粘合剂组分涂布在集电极材料上碾压而成。如果介孔碳材料本身具有良好的导电性,可不添加或少添加导电组分,相应地少添加粘合剂组分,从而降低电极内阻和提高电极的比电容。介孔碳材料的导电性,可以通过后处理改性在其表面沉积和吸附具有导电性的组分,也可以通过原位改性将导电性组分与介孔碳材料分子水平均匀混合,直接得到导电性介孔碳材料。
1)后处理改性提高介孔碳材料导电性。为使碳材料的导电性能满足超级电容器对电极材料高导电性的要求,一般是在碳材料中添加导电性组分,从而使形成的碳复合材料的导电性提高。常用的导电性材料包括导电碳材料、导电氧化物和导电聚合物3 类。付兴平等[29]以壳聚糖为前驱体、SiO2纳米颗粒为硬模板,制备出比表面积高、呈三维多孔结构的氮掺杂多孔碳(NPCs)材料,将RuO2纳米粒子通过溶胶-凝胶法均匀负载到NPCs 碳骨架的表面和孔隙中,得到RuO2/NPCs-800 复合材料,比电容高达411.5 F/g,相当于同等条件下NPCs(123.9 F/g)的3.3 倍。后处理提高材料导电性方法的优点是工艺简单; 缺点是很难将导电性材料均匀地掺入氮杂化介孔碳材料内部,如果添加贵金属导电组分还存在高成本问题。
2)原位改性提高氮杂化介孔碳材料导电性。原位改性方法是在氮杂化介孔碳形成之前就将导电性材料或前驱体添加到碳源中,在炭化过程中导电性材料与骨架碳在分子尺度上均匀结合形成复合材料,从而避免了导电组分与介孔碳材料基体分离。
可以直接选择聚苯胺或聚吡咯导电聚合物作为氮杂化介孔碳前驱体,也可以将其添加在氮杂化介孔碳前驱体中制备导电性氮杂化介孔碳材料。这种方法的缺点是导电聚合物价格高,导致导电性氮杂化介孔碳的原料成本也很高。
掺氟氧化锡(SnO2-xFx)是由锡盐和氟盐通过高温反应形成的无机化合物,少量氟离子掺杂大幅提高了氧化锡半导体材料中的载流子浓度,因此具有良好的导电性,常作为太阳能电池透明导电薄膜。SnO2-xFx还可以作为碳材料制备过程中的催化活化剂,其催化原理与现有技术中Co、Ni 盐的氧化还原反应原理相似。笔者项目组[30]发明了将掺氟氧化锡这种高导电性材料添加在氮杂化介孔碳前驱体中,同时发挥碳化物活化剂、 碳骨架支撑体和导电组分3 种作用,得到了导电性氮杂化介孔碳。提高了氮杂化介孔碳的导电性、比电容和充放电速度,非常适合作为超级电容器的电极材料。掺氟氧化锡比现有的Co、Ni 或Fe 氧化物具有更好的导电性能,可使氮杂化介孔碳材料的导电率提高20~50 倍。此外,将SnO2-xFx催化活化剂同时作为导电性氮杂化碳材料的有效成分,省略了催化活化剂的回收工序,简化了制备工艺。总之,将无机导电氧化物引入氮杂化介孔碳制备中,催化活化得到高比电容的导电性氮杂化介孔碳复合材料,将是氮杂化介孔碳改性的重点研究方向。
氮杂化介孔碳是一种新型碳材料,与石墨烯相比具有生产成本低廉的优点,与普通活性炭相比具有特异的纳米效应。氮杂化介孔碳由于具有优异的性价比,因而更容易实现大规模的生产和商业化应用,在许多应用领域可以部分替代石墨烯、碳纳米管和活性炭材料,值得深入地研究开发。生物质和酚类废弃物也可以作为氮杂化介孔碳的碳、氮来源,将氮杂化介孔碳制备与酚类废弃物处理结合起来,可以实现酚类废弃物的综合利用。