[发明专利]一种生物基氮硫掺杂碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于掺杂碳材料的制备领域，特别涉及一种生物基氮硫掺杂碳材料的制备方法。

背景技术

环境污染和能源危机是当今社会人类面临的两大核心问题。随着化石燃料的日益枯竭，开发清洁可持续的新能源和减少能源浪费是克服上述问题的两条有效途径。超级电容器作为一种新型的储能器件，能最大程度地储存电能，为能源的高效利用提供技术支持。根据不同的储能机理，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器，其具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长和节能环保等特点，因此终端应用市场十分广阔。其中，赝电容器主要以金属氧化物/氢氧化物/导电聚合物等为电极材料，而双电层电容器则以碳材料为电极材料。商用活性炭是目前使用最为广泛的一类廉价易得的双电层电容电极材料，但其封闭的微观结构不利于电解液离子的扩散和吸附，极大地抑制了超级电容器的储能性能。因此，多孔结构碳材料的开发已成为提升碳材料储能性能的关键手段之一。粳米是一种常见的生物基材料，其主要由淀粉构成，是一种成分相对单一的碳材料前驱体。但是，由粳米直接热裂解得到的碳材料只能保留粳米前驱体的实心微观结构，大大影响了其对比表面积的利用率。

此外，科学家发现在碳骨架上掺杂非金属杂原子能大幅提升碳材料对电解液的吸附能力，从而提升超级电容器的储能性能。然而受限于非金属杂原子掺杂的手段，目前杂原子掺杂碳材料的研究仍集中在单一杂原子掺杂领域，使得开发低成本二元甚至三元非金属杂原子掺杂碳材料更为迫切。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种生物基氮硫掺杂碳材料的制备方法，该方法得到的生物基氮硫共掺杂碳材料是一种具有良好商业化前景的高性能储能材料，可被用于超级电容器、锂离子电池等领域；制备方法中所用的原料为生物基材料，绿色环保、合成简便、稳定性好。

本发明以硫脲为前驱体，通过一步高温掺杂就能将氮原子和硫原子同时掺杂到碳材料结构内部，成本低廉、掺杂效果明显，十分具有商业使用价值。

本发明中的超级电容器用生物基氮硫共掺杂碳材料是以粳米为碳源，以硫脲为氮源和硫源，经过高温、高压等多步处理后得到。其中，利用高温、高压将粳米进行膨胀处理后得到的碳材料相较于未膨化处理的碳材料具有更大的碳原子层间距。这不仅有利于电解液的渗透，而且有助于硫脲分子的吸附，从而提升氮原子和硫原子的掺杂量。

本发明的一种生物基氮硫掺杂碳材料的制备方法，包括：

(1)将经过干燥的粳米进行高温高压处理，得到粳米气凝胶RA；

(2)将步骤(1)中得到的RA在惰性气体条件下，400～500℃裂解0.5～2h，得到粳米基碳气凝胶RCA；

(3)将步骤(2)中的RCA和硫脲研磨共混，得到共混物；将共混物在惰性气体条件下，800～1000℃反应2～4h(管式炉中)，得到生物基氮硫掺杂碳材料N,S-RCNs。

所述步骤(1)中干燥的条件为：将粳米在阳光下暴晒三天，具体为：将市售的粳米在强烈的阳光下暴晒三天脱除其内部的自由水，得到表皮坚硬的粳米。

所述步骤(1)中高温高压处理的条件为：300～500℃，0.6～0.9Pa的条件下处理5～15min，优选10min。

所述高温高压处理的机器为中国老式爆米花机。

中国老式爆米花机在高温高压作用下能使干燥后的粳米体积膨胀数倍，不仅在其内部引入了三维孔道结构，而且能适当扩大原子层间距，从而为电解液的吸附提供更多的活性位点。

所述步骤(2)中裂解时的升温速率为3～5℃/min。

所述步骤(2)中RCA的孔洞直径为40～120μm。

所述步骤(3)中RCA和硫脲的质量比为1：1～1：8(优选1：4)。

所述步骤(3)中反应时的升温速率为3～5℃/min。

所述步骤(3)中生物基氮硫掺杂碳材料作为超级电容器电极材料应用于超级电容器领域。

由于氮原子和硫原子的半径比碳原子大，因此杂原子的掺入能增大碳原子的层间距，将更有利于电解液离子的扩散和吸附。本发明旨在利用中国老式爆米花机和管式炉将粳米膨胀和热裂解成粳米碳气凝胶，而后将该碳气凝胶与硫脲分子进行高温共混掺杂，从而得到生物基氮硫共掺杂碳材料，其可被用作双电层超级电容器电极材料。本发明提供的制备方法简单可行，不仅扩大了碳原子的层间距，而且将氮硫两种杂原子同时掺杂进入碳原子结构中，极具商业化前景。

有益效果