[发明专利]一种硫掺杂纳米碳及其电化学制备方法与用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种硫掺杂纳米碳及其电化学制备方法与用途，属于炭材料领域，也属于电化学领域。

背景技术

近年来，熔盐电解转化二氧化碳制备无定形的纳米碳被认为是一种有效的纳米碳制备技术。Licht等人提出了一种将太阳能和太阳光辐射热结合加热熔盐的方法捕集利用二氧化碳(J.Physical.Chem.C.2011,115(23):11803-11821)。Groult等人在熔盐碳酸盐中采用恒电位电解的方法转化二氧化碳为纳米级的碳(J.Electrochem.Soc.2002,149(5):D72-D78)。中国专利CN102895847A报道了一种CO₂捕集资源化的方法，该方法采用Li₂CO₃-Na₂CO₃-K₂CO₃三元碳酸盐作为熔盐电解质，通过恒槽压电解的方法制备了无定形的纳米级别碳。

这些方法制备的产品均为纯的纳米级别碳，如何使用熔盐电化学电解制备性能更优异的硫掺杂纳米碳是一项新的技术挑战。

发明内容

为了制备硫掺杂的纳米碳，本发明提供了一种熔盐电解制备硫掺杂纳米碳及其方法，该硫掺杂纳米碳可作为超级电容器用储能材料、锂离子电池正极材料、电催化材料以及有效吸附水体中及空气中污染物。

本发明所采用的技术方案是：一种硫掺杂纳米碳电化学制备方法，其使用碱金属碳酸盐作为熔盐电解质体系；采用惰性材料为阳极，以金属或非金属材料为阴极；采用电化学反应装置；将含有CO₂和SO₂的火电厂、水泥厂、化工厂除尘脱硫后的工业烟气通入熔盐电解质中，在350-900℃的温度范围内，进行电解，制得硫掺杂纳米碳。

一种硫掺杂纳米碳电化学制备方法，其使用碱金属碳酸盐与碱金属硫酸盐的混合体作为熔盐电解质体系；采用惰性材料为阳极，以金属或非金属材料为阴极；采用电化学反应装置；将CO₂或者含有CO₂和SO₂的火电厂、水泥厂、化工厂除尘脱硫后的工业烟气通入熔盐电解质中，在350-900℃的温度范围内，进行电解，制得硫掺杂纳米碳。

按上述方案，所述的碱金属碳酸盐为Li₂CO₃、Na₂CO₃和K₂CO₃中的任意一种或者多种的混合。

按上述方案，所述的碱金属硫酸盐为Li₂SO₄、Na₂SO₄和K₂SO₄中的任意一种或者多种的混合。

按上述方案，所述阳极为二氧化锡陶瓷电极、石墨电极以及钛电极、金电极、铂电极、铱电极、钯电极及其合金电极中的任意一种；所述的阴极为石墨电极以及镍电极、铜电极、钼电极、钛电极、铝电极、银电极、金电极、铂电极及其合金电极中的任意一种。

按上述方案，控制电化学反应装置的电解槽压在2.8V-6V之间。

按上述方案，所述的电化学反应装置分为阴极区和阳极区，采用全封闭或者半封闭的隔膜将阴极区和阳极区分开，防止阳极区产生的氧气扩散至阴极区，避免阴极区得到的硫掺杂碳材料被二次氧化。

上述任意一项制备方法所得的硫掺杂纳米碳。

按上述方案，所述的硫掺杂纳米碳的形貌为蜂窝状，其粒径为200-250nm，所述的硫掺杂纳米碳中硫主要以C-S-C的成键方式形成。

所述的硫掺杂纳米碳作为超级电容器用储能材料、锂离子电池正极材料、电催化材料以及有效吸附水体中及空气中的污染物的材料的应用。

本发明的反应机理：当施加一定的电压在上述碳酸盐熔盐中时，碳酸盐发生分解，生成单质碳和金属氧化物，以Li₂CO₃-Na₂CO₃-K₂CO₃(摩尔比Li₂CO₃:Na₂CO₃:K₂CO₃＝43.5:31.5:25)掺杂不同浓度的Li₂SO₄的为例，介绍反应机理如下：