氮掺杂碳材料的制备及电容性能测试

吴霞，齐艳杰，周瑞，于永信

（昌吉学院化学与应用化学系，新疆昌吉831100）

近年来，随着信息技术的发展，小型可移动电源、电子设备发展迅猛，这对电池的能量密度、功率密度及使用寿命等提出了更高的要求。因此开发清洁、高效、可持续发展的绿色新能源成为缓解危机的重要解决途径。超级电容器是一类新型储能器件，与传统储能器件相比，具有充放电效率高、速度快、使用温度范围宽、循环寿命长、稳定性能好、对环境无污染等特点，是一种未来最具潜力的新型绿色能源。

而超级电容器研究的核心内容是研发具有优异电化学性能的电极材料。碳材料因具有比表面积大、导电性好、循环稳定性好等优点而被广泛应用于超级电容器中。研究表明，多孔活性炭材料的比电容不仅与比表面积、孔径分布有关，还与其表面或化学性质有关。为了使碳电极的高比表面积得到最大程度的利用，需要对炭材料进行改性处理以改变其物理化学性质，如杂原子的引入，负载金属氧化物或氢氧化物等。在碳材料中引入氮原子可以缩短导带与价带之间的带隙，从而提高材料的导电性；同时负载金属氧化物或氢氧化物可以防止石墨烯片层间的团聚。本文采用三聚氰胺为碳源，同时复合二茂铁制备电极材料，研究材料的电容性能。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

三聚氰胺、二茂铁、氢氧化钾、浓盐酸、炭黑、聚四氟乙烯、泡沫镍。

电子分析天平（HR-200）、鼓风干燥箱（DHG-9075A）、真空管式炉（BTF-1400C）、电化学工作站（CHI660E）。

1.2 样品制备

称取计量的三聚氰胺于玛瑙研钵中研细，置于磁舟放入管式炉中，以升温速率5℃/min 升至500℃，保温2 h，然后自然冷却至室温。用HCl浸泡24 h后水洗至pH呈中性，抽滤后60℃干燥，得到氮掺杂的碳材料（NC）。按比例将KOH、二茂铁和氮掺杂碳材料置于玛瑙研钵中研磨均匀，在氮气气氛下以5℃/min 的升温速率升温至800℃，保持2 h，然后自然冷却至室温。将所得样品依次用酸洗、水洗至pH 中性后，60℃干燥，得二茂铁复合的氮掺杂碳材料，命名为二茂铁-NC。

1.3 电极片的制备

将镍网裁剪成长4 cm、宽1 cm的镍片，然后将镍片依次浸渍在丙酮、无水乙醇超声清洗，最后用蒸馏水洗涤多次，置于真空干燥箱中80℃烘干备用。工作电极由样品、炭黑、聚四氟乙烯且质量比8∶1∶1组成，称取样品约2 mg后混合，滴加少量无水乙醇，混合后均匀按压在镍片上，覆盖面积约1 cm。将涂有样品的电极片放入真空干燥箱，60℃烘干备用。

1.4 电化学测试

电化学测试在上海辰华CHI660 E电化学工作站上完成。采用参比电极（汞/氧化汞电极）、辅助电极（铂电极）和工作电极三电极体系，电解质溶液为6 M KOH，电化学工作站的电位窗口为-1.1 V至0.1V，循环伏安的扫速为10 mVs、20 mVs、30 mVs、50 mVs、80 mVs、100 mVs；交流阻抗测试（EIS）的频率范围0.01 Hz～100 kHz，振幅为5 mV。

2 结果与讨论

对样品进行了循环伏安测试，图1为样品的测试图，从图1可以看出，曲线呈现近似的矩形，且曲线两端没有明显的极化现象，说明以三聚氰胺为原料制备得到的氮掺杂碳材料具有良好的双电层电容性能；同时曲线没有明显的氧化还原峰，说明氮掺杂碳材料复合二茂铁后其中的金属铁没有表现出良好的赝电容性能，可能是二茂铁没有复合上，在对样品进行酸洗处理时二茂铁被除去了。所以后期还需要进一步调整制备方案，使二茂铁复合得更牢固，从而贡献赝电容，提高材料的电容性能。

图1 样品的循环伏安曲线图

图2 为样品在电流密度分别为1 A g、2 A g、3 A g、5 A g、15 A g时的恒流充放电曲线。样品的充放电曲线呈现出对称的三角形，说明材料具有良好的双电层电容行为，和循环伏安曲线测试结果相吻合。充放电曲线的始末位置没有明显下降，表明材料的电阻小，说明以三聚氰胺为原料制备的氮掺杂碳材料中氮的引入减小了碳的带隙，增加了材料的导电性，减小了样品的电阻。

图2 样品的充放电曲线图

图3 所示为样品的交流阻抗曲线图。在频率较低的区域内样品近似为直线，在频率较高的区域没有半圆图形，表明制备的电极材料的传质电阻小，所以电解质溶液在电极材料中传播速度快。这个结果和样品的充放电曲线测试结果相一致。

图3 样品的交流阻抗曲线图

3 结论与展望

本文以三聚氰胺为原料，KOH为活化剂，制备二茂铁复合氮掺杂碳材料，然后对样品进行了相关的电化学测试。测试结果表明，所得样品具有很好的双电层电容性能，由于三聚氰胺中含有氮，所得样品原位掺杂了氮元素，使得样品的电阻减小，电解质离子运动速率加快，样品呈现出较好的电容性能。

但循环伏安测试曲线说明样品没有表现出很好的赝电容性能，说明二茂铁没有稳固地复合，没有发生氧化还原反应。下一步工作侧重于优化实验方案，增加氮掺杂碳材料的润湿性，使之可以和金属复合得更为稳定，为电极材料贡献赝电容，从而增加材料的电容性能。