阅读说明：本技术 一种明胶基多孔碳电极材料的制备方法和应用 (Preparation method and application of gelatin-based porous carbon electrode material ) 是由 李梅 王国静 瞿鑫博 张云强 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种明胶基多孔碳电极材料的制备方法和应用。其制备步骤如下：3.75g明胶加入到100ml烧杯中,并加入50ml去离子水,在室温下溶胀30min后移入水浴锅中,并在40℃下搅拌至完全溶解；在40℃水浴中,向上述溶液中加入1ml戊二醛,并在此温度下搅拌40min后室温静置28min,之后进行冷冻干燥；干燥后的样品在氩气保护下进行碳化,然后用KOH于600℃~800℃活化；得到的活化产物用稀酸溶液洗涤,然后用蒸馏水洗涤至中性,干燥后,最终得到明胶基多孔碳电极材料。本发明制备过程简单,具有可控性；制备得到的明胶基多孔碳电极材料具有结构稳定、电化学性能优异、循环性能好以及比电容量高等优点,非常适合作为电极材料应用于超级电容器领域。(The invention relates to a preparation method and application of a gelatin-based porous carbon electrode material. The preparation method comprises the following steps: adding 3.75g of gelatin into a 100ml beaker, adding 50ml of deionized water, swelling for 30min at room temperature, transferring into a water bath kettle, and stirring at 40 ℃ until the gelatin is completely dissolved; adding 1ml of glutaraldehyde into the solution in a water bath at 40 ℃, stirring at the temperature for 40min, standing at room temperature for 28min, and then carrying out freeze drying; carbonizing the dried sample under the protection of argon, and then activating the sample at 600-800 ℃ by using KOH; washing the obtained activated product with a dilute acid solution, then washing the activated product with distilled water to be neutral, and drying to finally obtain the gelatin-based porous carbon electrode material. The preparation process is simple and has controllability; the prepared gelatin-based porous carbon electrode material has the advantages of stable structure, excellent electrochemical performance, good cycle performance, high specific capacitance and the like, and is very suitable for being applied to the field of supercapacitors as an electrode material.)

一种明胶基多孔碳电极材料的制备方法和应用

技术领域

本发明属于新能源电子材料技术领域，涉及一种明胶基多孔碳电极材料的制备方法和应用。

背景技术

明胶是一种无色或浅黄色的透明状薄片或粉粒，其主要成分是蛋白质，并含有少量的水分和无机盐，分子链上含有丰富的氨基、羟基、羧基等官能团，易溶于热水，难溶于冷水。Xu等将明胶先预碳化，然后NaOH活化的方法制备的明胶基碳材料，在两电极测试条件下，电流密度为0.05A/g时的比电容为382F/g，在0.45A/g的电流密度下循环2500圈后其保持率为94%，表明具有具有良好的循环稳定性(Xu, B.; Hou, S.; Cao, G.; Wu, F.;Yang, Y. Sustainable nitrogen-doped porous carbon with high surface areasprepared from gelatin for supercapacitors. J. Mater. Chem. 2012,22,19088-19093.);Yi等将明胶与CNT进行复合之后进行预碳化、活化，得到了比表面积为1992 m²/g的活性碳材料（Yi, B.; Chen, X.; Zeng, B.; Guo, K.; Wan, Z.; Qian, Q.; Yan, H.;Chen, J. Gelatin-based activated carbon with carbon nanotubes as frameworkfor electric doubie-layer capacitors. J. Porous Mater.2012,19,37-44.）；Fan等通过水热的方法将明胶与氧化石墨进行复合，再活化，得到了在三电极测试条件下电流密度为1A/g时比电容为252F/g的活性碳材料（Fan, H.; Shen, W. Gelatin-basedmicroporous carbon nanosheets as high performance supercapacitors electrodes.ACS Sustainable Chem. Eng. 2016,4,1328-1337.）。

中国专利文献CN105097291A公开了一种氮硼共掺杂明胶基二维碳片的制备方法，包括以下步骤：（1）将明胶、硼酸加入50~100ml去离子水中并在60~80℃下搅拌4~12h；（2）将步骤（1）得到的混合溶液在70~95℃内搅拌蒸发水分至完全干燥；（3）将步骤（2）得到的产物在惰性气氛下，800~1100℃保温1~5h；（4）将步骤（3）得到产物经沸水回流90~240min，并将二维碳片分离出来，在80~100℃下真空干燥12h，得到氮硼共掺杂明胶基二维碳片。但是该方法得到的氮硼共掺杂明胶基二维碳片做电极材料时，比电容较低，当以1mol/L的H₂SO₄为电解液，恒流放电电流密度在100mA/g时比电容仅为330F/g。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种比电容高、循环性能好的明胶基多孔碳电极材料的制备方法和应用。

本发明的技术方案如下：

根据本发明，一种明胶基多孔碳电极材料的制备方法，包括步骤如下：

（1）明胶加入装有去离子水的烧杯中，常温下静置30min；

（2）将步骤（1）得到的明胶溶液放入水浴锅中40℃下搅拌至明胶完全溶解；

（3）向步骤（2）中加入戊二醛（0.5~2.5ml），磁力搅拌40min后常温静置28min；

（4）将步骤（3）所得到的产物进行冷冻干燥；

（5）将步骤（4）得到的产物在氩气保护下与300℃碳化1h；

（6）将步骤（5）得到的碳材料浸渍于KOH溶液中在55^℃下干燥24h，然后在氩气保护下于600℃~800℃活化1~3h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为1:0.5~1:3；

（7）将步骤（6）得到的产物用稀酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；

（8）将步骤（7）得到的产物在55℃下干燥24h后，即得明胶基多孔碳电极材料。

根据本发明，优选的，步骤（1）中的明胶的质量为3.75g。

根据本发明，优选的，步骤（2）中戊二醛加入的量为1ml。

根据本发明，优选的，步骤（6）中所述的活化温度是700℃。

根据本发明，优选的，步骤（6）中所述的碳材料与KOH的质量比是1:1。

根据本发明，优选的，步骤（6）中所述的活化时间是1h。

一种明胶基多孔碳电极材料的应用，用于超级电容器的电极材料。

本发明的技术优势如下：

(1) 本发明制备过程简单，具有可控性，可以通过控制预碳化产物与KOH的比例来控制碳材料的比表面积及孔结构。

(2) 本发明制备得到的明胶基多孔碳电极材料具有结构稳定、电化学性能优异、循环性能好以及比电容量高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的明胶基多孔碳电极材料的透射电镜图。

图2为本发明实施例1制得的明胶基多孔碳电极材料的恒电流充放电图。

图3为本发明实施例1制得的明胶基多孔碳电极材料的循环伏安曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不限于此。

同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1：

3.75g明胶加入到100ml烧杯中，并加入50ml去离子水，在室温下溶胀30min后移入水浴锅中，并在40℃下搅拌至完全溶解；在40℃水浴中，向上述溶液中加入1ml戊二醛，并在此温度下搅拌40min后室温静置28min使其继续交联，然后将所得的产物进行冷冻干燥；干燥后的样品在氩气气氛下于300℃保温1h；

将预碳化产物浸渍于KOH溶液中在55^℃下干燥24h，然后在氩气保护下于700℃活化1h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为1:1；

用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在55℃下干燥24h后，得到明胶基多孔碳电极材料。

采用三电极体系，以2mol/L硫酸溶液为电解液，质量负载为13.76mg时，1A/g测得比电容为390F/g，10A/g测得比电容为234F/g，稳定性较好。

本实施例制得的明胶基多孔碳电极材料的透射电镜图如图1所示，由图1可知所得的最终产物是多孔的片状结构。

本实施例制得的明胶基多孔碳电极材料的恒电流充放电如图2所示，由图2可知，0.5A/g测得比电容为447F/g，1A/g测得比电容为390F/g， 5A/g测得比电容为286F/g，10A/g测得比电容为234F/g，稳定性较好。

实施例2：

3.75g明胶加入到100ml烧杯中，并加入50ml去离子水，在室温下溶胀30min后移入水浴锅中，并在40℃下搅拌至完全溶解；在40℃水浴中，向上述溶液中加入1.5ml戊二醛，并在此温度下搅拌40min后室温静置28min使其继续交联，然后将所得的产物进行冷冻干燥；干燥后的样品在氩气气氛下于300℃保温1h；

将预碳化产物浸渍于KOH溶液中在55^℃下干燥24h，然后在氩气保护下于700℃活化1h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为1:1；

用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在55℃下干燥24h后，得到明胶基多孔碳电极材料。

采用三电极体系，以2mol/L硫酸溶液为电解液，质量负载为9.52mg时，1A/g测得比电容为360F/g，10A/g测得比电容为217F/g，稳定性较好。

实施例3：

3.75g明胶加入到100ml烧杯中，并加入50ml去离子水，在室温下溶胀30min后移入水浴锅中，并在40℃下搅拌至完全溶解；在40℃水浴中，向上述溶液中加入2ml戊二醛，并在此温度下搅拌40min后室温静置28min使其继续交联，然后将所得的产物进行冷冻干燥；干燥后的样品在氩气气氛下于300℃保温1h；

将预碳化产物浸渍于KOH溶液中在55℃下干燥24h，然后在氩气保护下于700℃活化1h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为1:1；

用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在55℃下干燥24h后，得到明胶基多孔碳电极材料。

采用三电极体系，以2mol/L硫酸溶液为电解液，质量负载为2mg时，1A/g测得比电容为336F/g，10A/g测得比电容为252F/g，稳定性较好。

实施例4：

3.75g明胶加入到100ml烧杯中，并加入50ml去离子水，在室温下溶胀30min后移入水浴锅中，并在40℃下搅拌至完全溶解；在40℃水浴中，向上述溶液中加入2.5ml戊二醛，并在此温度下搅拌40min后室温静置28min使其继续交联，然后将所得的产物进行冷冻干燥；干燥后的样品在氩气气氛下于300℃保温1h；

将预碳化产物浸渍于KOH溶液中在55^℃下干燥24h，然后在氩气保护下于700℃活化1h，自然冷却至室温；其中，碳材料与KOH的质量比为1:1；

用稀盐酸溶液洗涤，然后用蒸馏水洗涤至中性；得到的产物在55℃下干燥24h后，得到明胶基多孔碳电极材料。

采用三电极体系，以2mol/L硫酸溶液为电解液，质量负载为2.16mg时，1A/g测得比电容为338F/g，10A/g测得比电容为217F/g，稳定性较好。