[发明专利]一种N、S和P共掺杂多孔碳材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料的生产技术领域。

背景技术

近些年来，化石能源的过度使用导致全球排碳量的急速上升，进一步地造成温室效应与全球暖化的现象，破坏了长久以来维持的生态平衡；除此之外，发达工业的持续发展，使得全球对于能源的需求不减反增，更进一步的恶化了此两造之间的矛盾，因此，如何减少化石燃料的使用，并同时开发新的、永续性的替代能源便成了当前人们的共识。除了致力于清洁无污染的新能源与替代性能源的开发外，储能元件的发展也是解决当前能源问题的一个重要方式。储能装置种类繁多且应用非常广泛，目前最重要的两种储能装置包括锂离子电池及超级电容器。其中电池的储能方式因牵涉到电极材料的结构变化，在电能的储存及输出上受限于质传及化学反应速率，使得电池元件具有较大的等效串联电阻，因而无法进行太高速的充放电，降低了其在高功率下的表现。此外，在高功率的操作条件下，电池中电能将大量转成热能，降低储能效率及循环使用寿命；并联电池模组也会增加整体动力供应系统的重量与体积，然而，在现今电子產品各项功能快速发展的情况下，对储能装置的要求也逐渐的严苛，除了需具备高功率放电能力及高循环寿命之外，还要有轻盈的重量与微小的体积，因此，这些需求的增加也带起了以超级电容器为主的储能新世代的来临。

碳材料因有着良好的导电性且对电解液不产生电化学反应，再加上低成本、高表面积、高温稳定性、易取得与电极制作技术最为成熟等优点，成为最常使用的超级电容器电极材料。其中，活性炭是最早被发现具有电双层现象的材料，并应用作为电化学电容器上的电极。活性炭通常借由化学活化或物理活化而具有大量的中孔洞或微孔结构，具有高比表面积的特性，依据双电层电容，此特性能够帮助电极储存大量离子于碳电极表面，并得到较高的电容值。

蜂巢是蜂类的窝，是工蜂用自身的蜡腺所分泌的蜂蜡修筑的。养蜂业在我国分布十分广泛，在蜂蜜收集及加工过程中，蜂巢常常作为废物被丢弃，因而将蜂巢进行废物利用有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于提出一种利用蜂巢为碳材料，可应用于超级电容器的N,S,P共掺杂多孔碳材料的制备方法。

本发明制备方法是：将干燥的蜂巢在氮气环境下进行加热预处理，冷却后粉碎，得蜂巢炭化粉料；将蜂巢炭化粉料与活化剂混合均匀后经干燥处理，然后在氮气气氛的条件下加热进行活化处理，冷却后漂洗至中性，再经干燥，得N、S和P共掺杂多孔碳材料。

本发明在氮气环境进行加热预处理可以有效地出去原料中的杂质，同时不破坏炭化粉料自身的结构。将蜂巢炭化粉料与活化剂混合均匀后经干燥处理，然后在氮气气氛的条件下加热进行活化处理可以确保所获得的多孔碳材料的比较面积和孔容较大；冷却后漂洗至中性可以进一步除去产物中的杂质；干燥可以除去产物中的水分。

蜂巢是一种优质的活性炭生产原料，不仅能够作为低成本的碳源，更为最终产物提供了N,S,P等杂原子。

杂原子的存在不仅提供了氧化还原赝电容，杂原子掺杂也有利于抑制碳材料表面部分含氧官能团在充放电过程中发生的不可逆变化，由于N,S,P等多种的元素掺杂所表现出来的协同效应，所制备的碳材料具有高比表面积、孔径分布集中、高吸附性能及其高电化学性能，表现出优异的电化学电容特性，可应用于超级电容器中作为电极材料使用。

本发明原材料丰富、成本低、可循环，而且可将吸附剂用于气液污染物的吸附分离过程，有利于大气污染和水污染控制，将获得固体废物利用和大气污染、水污染控制的双赢效果。

进一步地，本发明所述加热预处理的温度环境为400±20 ℃，加热预处理时间为1 h。在该温度和时间条件下进行预处理，可以确保反应物中的杂质的去除率最佳。

所述活化剂为KOH水溶液。采用KOH水溶液为活化剂可以保证产物获得较大的比较面积和孔容。

所述蜂巢炭化粉料和KOH水溶液中KOH的摩尔比为1∶5。采用该用料比既可以确保反应物与KOH充分反应，又可以保证KOH的使用不过量。

将混合均匀的蜂巢炭化粉料与活化剂混合物在100±10℃环境下干燥处理。在该温度条件下对反应物进行干燥既可以确保水分的挥发，又可以保证活化剂的活性不被破坏。

活化温度为700～900 ℃，活化时间为2 h。在改温度和时间条件下，所获得的多孔碳材料的比较面积和孔容较大，所测得电化学性能最佳。

本发明还提出上述方法制备的N、S和P共掺杂多孔碳材料在超级电容器中的应用。