[发明专利]一种片层状硼掺杂有序介孔炭及其制备方法

说明书

本发明涉及一种片层状硼掺杂有序介孔炭及其制备方法，以三嵌段聚合物为结构导向剂或模板剂，热固性的甲阶酚醛树脂为碳源，硼酸作为甲阶酚醛树脂固化剂同时也作为硼源进行硼原子原位掺杂，将配置成适宜浓度的溶液进行溶剂蒸发诱导相分离自组装，随后通过热固化稳定材料有序多孔的结构，最后炭化制备得到片层状硼掺杂有序介孔炭。该制备方法的实验设备简单、易于控制、没有繁琐后处理工序，所制备的片层状硼掺杂有序介孔炭硼含量高、孔道结构完整、表面积高、具有高介孔比例，适用于超级电容器及氧气还原反应催化剂的担载基底。

技术领域

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种用作超级电容器及氧气还原反应催化剂炭载体的具有高比表面积片层状硼掺杂有序介孔炭材料及其制备方法。

背景技术

由于世界人口的增长迅猛及环境的污染问题日益恶化，能源问题已成为全球经济和科技发展的热点和难点。除了寻找更加清洁、高效能的新能源外，更加迫在目睫的难题是能源的储存及转换输出。超级电容器做为常用的储能元器件，具有功率密度高，使用寿命长，倍率性能优异，稳定性强，清洁环保等诸多优点。但是相对其他储能原件，能量密度不高这个短板限制了其广阔的应用前景，这也决定了超级电容研究发展的趋势是：保持其功率密度、使用寿命、倍率性能等主要优势的前提下，提高它的能量密度。

超级电容器的电容主要包括两个方面：双电层电容和赝电容。其中充电过程中电子电荷积聚在具有横向斥力的电极板上，但不发生氧化还原反应，形成双电层电容。电容量取决于电极比表面积、电解液和双电层厚度（德拜厚度），公式为：

Ɛ_r为电解液介电常数；Ɛ₀为真空介电常数；A电极比表面积；d为双电层有效厚度。有文献报道，电极材料2nm以上的孔道表面才能形成有效的双电电容，小于2nm的微孔不直接贡献双电层电容。增加电极材料2nm以上孔道的比表面积，是提高材料双电层电容最直接有效的方法。高比表面积的炭材料由于导电性好、稳定性强、比表面积高等优点，而作为主流的双电层超级电容器材料。

在形成赝电容的过程中，所包含的离子在固体电极和电解液间可进行快速的法拉第反应，产生了等效电容。此时，电荷储存主要与电极电压有关，赝电容计算公式为：

Q为电量；V为极间电压。赝电容电容器常比双电层电容器高，但其导电性差和循环时骨架的伸缩使得能量密度降低，且稳定性差。文献中报道过的赝电容电容器，主要有金属氧化物、金属氧化物与炭的复合材料、杂原子（N、B、S、P、O等）掺杂的材料、及表面修饰接枝含氧官能团的材料。对于单纯金属氧化物，目前NiO_x是少数能够实现产业化生产的赝电容电容器。然而对于已具有较高双电层电容的电极材料，利用杂原子（N、B、S、P、O等）掺杂形成赝电容，其循环稳定性和倍率性能相对于普通金属氧化物产生的赝电容具有很大优势。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种片层状硼掺杂有序介孔炭的制备方法，以三嵌段聚合物为结构导向剂或模板剂，热固性的甲阶酚醛树脂为碳源，硼酸作为甲阶酚醛树脂固化剂同时也作为硼源进行硼原子原位掺杂，将配置得到的溶液进行溶剂蒸发诱导相分离自组装，随后通过热固化稳定材料有序多孔的结构，最后炭化制备得到片层状硼掺杂有序介孔炭。由于硼掺杂有序介孔炭材料良好的导电性、有序介孔孔道结构及高比表面积的介孔，故能形成较高双电层电容。