[發明專利]一種氮硫共摻雜多孔碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201810486401.0
• 申請日: 2018-05-21
• 公開（公告）號: CN108529619A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 孫立賢;王飛飛;徐芬;夏永鵬;印世璐;陳沛榮;曹黎志;曹印函
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;H01G11/44;H01G11/34
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 周雯

本發明公開了一種氮硫共摻雜多孔碳材料，由葡萄糖、三聚氰胺、二甲基亞砜和濃硫酸，經質子化處理后，經加熱反應、煅燒活化等操作制得。其比表面積范圍在1203.9~1932.1 m² g^?1，平均孔徑分布均一，分布在1.421?3.627 nm范圍內。其制備方法為：1）三聚氰胺的質子化處理；2）含氮硫前驅體的制備；3）含氮硫前驅體的活化；4）含氮硫前驅體的后處理。作為超級電容器電極材料的應用，當電流密度為1 A g^?1時，比電容值范圍在180~293 F g^?1。通過濃硫酸對三聚氰胺進行質子化處理，調整其電子結構獲得高氮含量的電極材料；二甲基亞砜具有高極性和親水性，有利于與葡萄糖的羥基進行摻雜反應，因此，本發明制得的碳材料具有優良的電化學性能，在超級電容器領域具有應用前景。

技術領域

本發明涉及超級電容器技術領域，具體涉及一種氮硫共摻雜多孔碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

超級電容器作為一種新型高效儲能裝置，其具有功率密度高、循環壽命長、充放電效率高、免維護、節能環保等等一系列優點，迅速在電動汽車、電力、鐵路、消費性電子產品等眾多領域得到應用。目前，超級電容器采用的電極材料主要有三大類：碳基材料、金屬氧化物和導電聚合物。碳基材料中的多孔碳材料由于具有良好的物理化學性能，如比表面積大、孔隙結構可控、化學性質穩定、高導熱、高電導率和原料豐富等特點，成為當前應用最廣泛的一類電極材料。

多孔碳材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網絡結構的材料，因具有分子尺寸的均勻孔道結構，連續的孔道體系和大的比表面積等特性，在吸附、離子交換、特別是在電化學等領域有廣泛的應用。科學研究表明，雜原子摻雜是提高多孔碳材料電化學性質的有效方法。尤其，氮原子是研究最多的摻雜劑，它可以在六元碳晶格引入更多的缺陷點位。除了氮，硫元素的摻雜也受到越來越多的關注。由于硫有一對孤對電子，容易極化，提高碳材料的化學活性。不僅如此，最近的理論計算證明：氮、硫元素的共摻雜可以帶來協同效應由于電荷密度和自旋密度的重新分配。

已有研究（ACS Applied. Materials & Interfaces 2017, 9, 29753-29759 ）表明，氮硫共摻雜碳材料是一種良好的電極材料，但是其材料的氮含量僅達到5.7%，文章（Journal of Energy Chemistry 25 (2016) 587–593）中又有材料比表面積小，比電容低（0.5 A/g時比電容為200 F/g）的問題。高偉偉等（ACS Applied Materials & Interfaces2014, 6 (21), 19109–19117 ）采用一步直接熱解合成法制備出了氮硫摻雜多孔碳材料，對原料直接進行熱分解，得到材料的摻氮量為2%。

所以，現有技術存在：1、氮含量少；2、比表面積小；3、比電容低的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種氮硫共摻雜多孔碳材料及其制備方法和作為雙電層電容器的應用。

由于現有技術未采用質子化處理就直接進行熱解的制備方法，導致所得的材料摻氮量較低。實驗表明質子化處理有利于產生缺陷位，更有利于氮摻雜。因此，本發明采用浸漬法，用濃硫酸先對氮源進行質子化處理，然后再進行摻雜反應，從而實現產生更多缺陷位點而得到氮含量較高的多孔碳材料。濃硫酸是一種常見的強酸，有強氧化性，可用來對基底進行質子化處理。

葡萄糖是一種廉價易得自然界分布最廣，綠色無毒的可再生能源。作為電極材料的來源，在工業化生產中具有節約成本和減少資源浪費的的優勢。