[發明專利]一種制備和調控氮/硫共摻雜多孔碳的高內相乳液模板法

在審

• 申請號: 202011093560.8
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112158837A
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 趙玉來;趙志魁;陳浩然;侯琳熙
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;H01G11/30;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 俞舟舟;蔡學俊

本發明公開了一種制備和調控氮/硫共摻雜多孔碳的高內相乳液模板法。首先將表面活性劑、單體和催化劑溶解在去離子水中得到水相，在機械攪拌條件下將油相緩慢滴加到水相中，得到水包油型高內相乳液，然后進行聚合反應，得到固體塊狀粗產物。通過索氏提取除去內相和真空干燥后得到多孔聚合物前驅體，經碳化、活化得到氮/硫共摻雜多孔碳材料。本發明通過改變三聚氰胺與硫脲的摩爾比，可對多孔碳孔結構和氮/硫含量進行有效調控。隨著硫脲含量的增大，制備的多孔碳材料的比表面積逐漸增大，以其為電極材料制備的超級容器的比電容亦明顯升高。以制備的氮/硫共摻雜多孔碳作為電極材料制備的超級電容器表現出良好的電化學性能。

技術領域

本發明屬于高分子材料制備技術領域，具體涉及一種制備和調控氮/硫共摻雜多孔碳的高內相乳液模板法。

背景技術

超級電容器是指兼有靜電電容器和電池特性的一種新型儲能裝置。與傳統儲能裝置相比，超級電容器具有更高的安全性，更長的循環壽命，更快的充電/放電能力以及更高的功率密度，因此在儲能設備中具有巨大的潛力。超級電容器中起核心作用的部分是電極，應用于超級電容器的各種電極材料包括碳材料、導電聚合物、金屬氧化物及其復合材料。由于來源廣泛，易于獲得高比表面積和優異的電導率，通常選擇多孔碳作為電極材料。然而，作為雙電層電容器的電極材料無法滿足高能量和高功率密度的要求。克服缺點的成功方法之一是將一些雜原子摻入碳骨架中，從而可以增強導電性。來自雜原子和電解質之間發生的法拉第電荷轉移反應可以產生額外的貢獻。氮、硼、磷和硫等雜原子的摻入都可以改善碳材料的電化學性能。此外，共摻雜的策略已經被進一步應用到提高材料的比電容。

專利CN110538635A公開了氮硫共摻多孔磁性碳材料的制備，主要的步驟包括：1）稱取間苯二酚、甲醛溶解在蒸餾水中，將混合液在40-50℃溫度范圍內攪拌，攪拌時間大于1h，稱取三聚氰胺加入溶液中，加熱至80℃以上，劇烈攪拌，得到溶液；（2）稱取九水硝酸鐵和硫脲，分別緩慢加入溶液中，攪拌，然后將混合液轉入高壓釜中，溫度保持 180℃靜態反應24h；（3）反應結束后，用布氏漏斗抽濾收集反應沉淀物，然后用蒸餾水潤洗，得到濕潤的氮硫共摻多孔磁性碳材料前驅體。將前驅體放入 100℃的真空干燥箱內，干燥12 小時，得到干燥的氮硫共摻多孔磁性碳材料。提供的氮硫共摻多孔磁性碳材料具有較大的比表面積，由其制成的吸附劑對甲基橙的吸附量高、吸附速度快，能夠有效地吸附并回收水溶液中的甲基橙。但是其存在的問題是水熱法工藝復雜，條件較為嚴苛，產生的孔徑較為單一。

本發明采用高內相乳液模板法制備的多孔材料具有制備方法簡單、孔徑尺寸及分布可控、孔間可相互貫通等優點。本發明采用高內相乳液模板法，經過交聯、聚合、碳化實現了氮/硫共摻雜多孔碳材料的制備、孔結構的構筑，并通過改變水相中單體的比例，實現對多孔碳材料孔結構的調控。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種制備和調控氮/硫共摻雜多孔碳的高內相乳液模板法。通過調整硫脲與三聚氰胺的摩爾比，可實現對制備的多孔碳材料孔結構及含氮量的調控。

本發明的目的是通過以下的技術方案實現的：

一種制備和調控氮/硫共摻雜多孔碳的高內相乳液模板法，具體步驟如下：

（1）將單體、催化劑和表面活性劑完全溶解在去離子水中配成水相；

（2）在機械攪拌條件下將一定質量的油性溶劑作為油相緩慢加入到步驟（1）得到的水相中，攪拌2h得到不同的水包油型高內相乳液；

（3）將步驟（2）得到的高內相乳液密封后在75℃下進行聚合反應，反應時間為24h，得到固體塊狀粗產物，將粗產物在乙醇中索氏提取24h，除去內相，真空干燥后得到聚合物前驅體；

（4）將干燥后的聚合物前驅體在700℃、氮氣保護下碳化2h，得到多孔碳材料；

（5）用一定量的氫氧化鉀溶液與制備的多孔碳材料進行混合，干燥后進行活化，得到氮/硫共摻雜多孔碳。