[發明專利]一種自模板、自摻雜制備超級電容器富磷介孔炭的方法

有效

• 申請號: 201710764152.2
• 申請日: 2017-08-30
• 公開（公告）號: CN108538640B
• 公開（公告）日: 2019-12-06
• 發明（設計）人: 徐斌;胡龍豐
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/32;H01G11/24;H01G11/44;H01G11/30
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一種自模板、自摻雜制備超級電容器富磷介孔炭的方法本發明提供了一種自模板、自摻雜直接高溫碳化制備富磷介孔炭的方法，以植酸鹽（即環己六醇磷酸酯鹽或肌醇六磷酸鹽）為前驅體，在惰性氣體保護下，高溫分子重新組合交聯，得到多孔炭包裹納米焦磷酸鹽顆粒的復合物。將復合物進行酸洗、水洗除去納米模板劑，干燥制得富磷多孔炭。所述炭材料為蜂窩狀介孔結構，比表面積為400?1500m²/g，孔徑分布均一，主要在3?20nm、孔容在0.6?1.7cm³/g之間，含磷量為2.3%?16%。該富磷介孔炭用作超級電容器電極材料，具有面積比電容高、倍率性能優異和電位窗口寬（0?1.8V）等特點。

技術領域

本發明涉及一種自模板、自摻雜制備超級電容器富磷介孔炭。

背景技術

超級電容器，又叫雙電層電容器，具有高的充放電效率、長的循環壽命以及快速的充放電能力等優點，被當作潛在的高功率電源應用于數字通訊、航空航天、電動汽車等領域。由于超級電容器自身的性能（如低的能量密度）而限制了其進一步發展，因此提高能量密度是當前迫切需要解決的問題。

炭材料資源豐富，在自然界中存在形式多種多樣，且結構可控、高導電性和離子吸附性，不僅可以直接作為電解的活性物質，還能用作導電劑、柔性基體和包覆層等。因此，在電化學領域發揮極其重要的作用，是超級電容器應用最廣泛的電極材料。炭材料的種類十分豐富，包括活性炭、炭凝膠、碳納米管、模板炭。介孔炭的孔徑尺寸大（2-50nm），并且孔道結構比較規整、孔容容量大，便于電解液離子的快速遷移，是高功率超級電容器的理想電極材料。介孔炭材料通常采用模板法來制備，常用的模板有沸石、介孔硅分子篩和硅膠珠等介孔材料，或者納米碳酸鈣、納米氧化鎂等納米顆粒，其制備過程包括：（1）將有機碳源填充進多孔模板的孔道中，或者將有機碳源與納米粒子模板均勻分散；（2）高溫碳化使有機碳源熱解；（3）洗去模板，納米碳酸鈣、納米氧化鎂可以用鹽酸洗滌，而沸石、介孔硅分子篩和硅膠珠等含硅的模板需用強腐蝕性的氫氟酸刻蝕除去。可見，模板法雖然可制備介孔發達的炭材料，但存在著模板成本較高、模板不易均勻填充/分散于碳源、制備工序復雜等不足。因此，探究一種工藝簡便、成本低廉和環境友好的介孔炭材料的制備方法具有重要的現實意義。

除了孔隙分布以外，表面化學性質也是影響多孔碳材料電容性能的重要因素。對炭材料進行表面摻雜引入氧、氮、磷等雜原子官能團不僅能改善多孔碳材料在電解液中的浸潤性，而且能與電解液之間發生法拉第效應而產生贗電容，進而提高材料的能量密度。摻雜碳材料的工作主要集中在氧、氮原子，而關于磷元素摻雜的研究相對較少。最常用方式為以磷酸為磷源和活化劑與碳源在高溫下碳化、活化處理，得到磷摻雜多孔炭，這類材料大多孔徑< 2nm，屬于微孔材料。另一類先用模板法或活化法由碳源制備多孔炭，然后再以三苯基膦、四苯基溴化膦、磷酸三乙酯為磷源，在高溫下與多孔炭共熱進行摻雜，這類方法制備的材料磷含量少，一般為4~6%左右。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種自模板、自摻雜制備超級電容器富磷介孔炭，通過工藝簡單、成本低廉的制備方法，得到一系列高磷含量的具有穩定的三維蜂窩狀介孔結構的多孔炭材料。將這種具有豐富介孔的相互貫通的孔通道應用于超級電容器電極中，可以制備出高比容量、高大電流倍率性能、寬電位窗口的電極材料。這種方法既提高了超級電容器的比容量，又改善了能量密度。

本發明提供一種自模板、自摻雜制備超級電容器富磷介孔炭的方法，所述方法包括步驟：

第一步：在惰性氣氛保護下，將植酸鹽以3-15℃/min升溫到碳化溫度，并在碳化溫度保溫0.5~3h，其中碳化溫度為500-1100℃；

第二步：分別用酸和水分兩步洗滌；

第三步：干燥得到富磷介孔炭。