[发明专利]一种片状氮磷共掺杂多孔碳材料及其制备方法与用途

说明书

本发明提供了一种片状氮磷共掺杂多孔碳材料，按如下方法制备得到：将苯胺、六氯环三磷腈混合，在压力为1～10MPa、温度为140～260℃的条件下密闭反应2～24h，之后泄压至常压，蒸干，得到固体物质；在惰性气体保护下，将所得固体物质于400～1000℃进行高温处理1～6h，即得成品；本发明所提供的片状氮磷共掺杂多孔碳材料，具有优异的电学性能，可用来制备电容器电极尤其是超级电容器电极，从而可用于电容器尤其是超级电容器中，在储能领域具有极大的应用潜力和工业价值。

(一)技术领域

本发明提供了一种可用于超级电容器的片状氮磷共掺杂多孔碳材料及其制备方法与用途，属于无机功能材料领域。

(二)背景技术

能源是重要的物质基础，它支撑着人民生活和社会经济发展。自21世纪初，一方面，随着化石类能源的大规模使用，传统能源日益枯竭；另一方面，随着现代科学技术的进步，人们对能源的需求和要求日益增长，能源供应的短缺与人们日益增长的能源需求之间存在着严重矛盾。因此，能源的储存与转化毫无疑问是21世纪人们面临的重大挑战之一。超级电容器是一类功率型储能设备，具有快速充放电的能力，与传统的电容器相比，其拥有高的功率密度和能量密度，用作混合动力电动汽车动力设备具有广阔的应用前景。因此，进一步提高超级电容器性能，对满足21世纪人们的能量储存要求具有重要意义。

目前普遍认为，对多孔碳电极材料进行杂原子掺杂可以在材料表面引入官能团，利于吸附电解液离子，进一步改善碳材料的亲疏水性，增强电极材料的浸润性，并且有利于增强电解液离子在材料微孔中的快速传输。同时，碳材料表面的杂原子官能团使材料具有酸性或碱性活性位，这些活性位与电解液离子之间发生法拉第氧化还原反应，由此产生歷电容，使电极材料的比电容值增加。

早前多数集中于单一杂原子掺杂的研究，对于多种杂原子共同掺杂对电极材料性能影响的研究相对来说还比较少。作为合成一种片状氮磷共掺杂多孔碳材料的现有技术，例如可列举如下：

CN105006375A公开了一种氮、磷共掺杂多孔碳纳米管的制备方法，其包括如下步骤：1)制备羧基化碳纳米管；2)三聚氰胺-间苯二酚-甲醛树脂为前驱体制备三聚氰胺-酚醛树脂包裹碳纳米管；3)磷化：将步骤2)所得三聚氰胺-酚醛树脂包裹碳纳米管与磷化剂混合后，超声分散于去离子水中，干燥，干燥产物在惰性气氛下升温至600～900℃磷化120～180min，自然冷却至室温，将获得的黑色粉末用水洗涤、抽滤直至中性，干燥即得。所述氮、磷共掺杂多孔碳纳米管能显著提高电容器的比电容量。

CN105457666A提供了一种氮磷共掺杂多孔碳催化剂的制备方法及其应用，属于燃料电池阴极氧还原催化剂领域。采用原位掺杂法引入氮和磷，通过调控氮磷前驱体的含量改变氮磷掺杂量，另外，采用硬模板法来制备氮磷共掺杂多孔碳，可通过调控硬模板来实现多孔碳的孔径可控。所述方法为：制备苯胺单体、磷前驱体、硅基硬模板、非贵金属盐的前期聚合物；将前期聚合物煅烧得到固体；固体经过刻蚀、清洗、干燥后得到所述的碳材料。更重要的是，所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料在酸性条件下具有良好的氧还原电催化性能，具有很大应用潜力。

CN104201001A公开了一种棒状的氮磷共掺杂介孔碳材料及制备方法和应用。所述棒状的氮磷共掺杂介孔碳材料为介孔结构，按原子百分比计算，氮含量为23.70～33.85％，磷含量为0.51～0.72％，余量为碳，孔径分布在1.74～1.95nm，比表面积约585～1173m²/g，孔体积为0.49～1.07cm³/g。其制备方法即：将棒状的介孔二氧化硅、有机高分子聚合物、含氮前驱体、含磷前驱体和乙醇混合，搅拌使碳源、氮源和磷源充分浸渍到介孔二氧化硅的孔道中；待乙醇挥发完全后干燥得到的氮源/磷源/碳源/二氧化硅复合物，依次经高温碳化、去除二氧化硅、干燥得棒状的氮磷共掺杂介孔碳材料，用于制作超级电容器所用的电极材料。