[发明专利]一种自模板、自掺杂制备超级电容器富磷介孔炭的方法

说明书

一种自模板、自掺杂制备超级电容器富磷介孔炭的方法本发明提供了一种自模板、自掺杂直接高温碳化制备富磷介孔炭的方法，以植酸盐（即环己六醇磷酸酯盐或肌醇六磷酸盐）为前驱体，在惰性气体保护下，高温分子重新组合交联，得到多孔炭包裹纳米焦磷酸盐颗粒的复合物。将复合物进行酸洗、水洗除去纳米模板剂，干燥制得富磷多孔炭。所述炭材料为蜂窝状介孔结构，比表面积为400‑1500m²/g，孔径分布均一，主要在3‑20nm、孔容在0.6‑1.7cm³/g之间，含磷量为2.3%‑16%。该富磷介孔炭用作超级电容器电极材料，具有面积比电容高、倍率性能优异和电位窗口宽（0‑1.8V）等特点。

技术领域

本发明涉及一种自模板、自掺杂制备超级电容器富磷介孔炭。

背景技术

超级电容器，又叫双电层电容器，具有高的充放电效率、长的循环寿命以及快速的充放电能力等优点，被当作潜在的高功率电源应用于数字通讯、航空航天、电动汽车等领域。由于超级电容器自身的性能（如低的能量密度）而限制了其进一步发展，因此提高能量密度是当前迫切需要解决的问题。

炭材料资源丰富，在自然界中存在形式多种多样，且结构可控、高导电性和离子吸附性，不仅可以直接作为电解的活性物质，还能用作导电剂、柔性基体和包覆层等。因此，在电化学领域发挥极其重要的作用，是超级电容器应用最广泛的电极材料。炭材料的种类十分丰富，包括活性炭、炭凝胶、碳纳米管、模板炭。介孔炭的孔径尺寸大（2-50nm），并且孔道结构比较规整、孔容容量大，便于电解液离子的快速迁移，是高功率超级电容器的理想电极材料。介孔炭材料通常采用模板法来制备，常用的模板有沸石、介孔硅分子筛和硅胶珠等介孔材料，或者纳米碳酸钙、纳米氧化镁等纳米颗粒，其制备过程包括：（1）将有机碳源填充进多孔模板的孔道中，或者将有机碳源与纳米粒子模板均匀分散；（2）高温碳化使有机碳源热解；（3）洗去模板，纳米碳酸钙、纳米氧化镁可以用盐酸洗涤，而沸石、介孔硅分子筛和硅胶珠等含硅的模板需用强腐蚀性的氢氟酸刻蚀除去。可见，模板法虽然可制备介孔发达的炭材料，但存在着模板成本较高、模板不易均匀填充/分散于碳源、制备工序复杂等不足。因此，探究一种工艺简便、成本低廉和环境友好的介孔炭材料的制备方法具有重要的现实意义。

除了孔隙分布以外，表面化学性质也是影响多孔碳材料电容性能的重要因素。对炭材料进行表面掺杂引入氧、氮、磷等杂原子官能团不仅能改善多孔碳材料在电解液中的浸润性，而且能与电解液之间发生法拉第效应而产生赝电容，进而提高材料的能量密度。掺杂碳材料的工作主要集中在氧、氮原子，而关于磷元素掺杂的研究相对较少。最常用方式为以磷酸为磷源和活化剂与碳源在高温下碳化、活化处理，得到磷掺杂多孔炭，这类材料大多孔径< 2nm，属于微孔材料。另一类先用模板法或活化法由碳源制备多孔炭，然后再以三苯基膦、四苯基溴化膦、磷酸三乙酯为磷源，在高温下与多孔炭共热进行掺杂，这类方法制备的材料磷含量少，一般为4~6%左右。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种自模板、自掺杂制备超级电容器富磷介孔炭，通过工艺简单、成本低廉的制备方法，得到一系列高磷含量的具有稳定的三维蜂窝状介孔结构的多孔炭材料。将这种具有丰富介孔的相互贯通的孔通道应用于超级电容器电极中，可以制备出高比容量、高大电流倍率性能、宽电位窗口的电极材料。这种方法既提高了超级电容器的比容量，又改善了能量密度。

本发明提供一种自模板、自掺杂制备超级电容器富磷介孔炭的方法，所述方法包括步骤：

第一步：在惰性气氛保护下，将植酸盐以3-15℃/min升温到碳化温度，并在碳化温度保温0.5~3h，其中碳化温度为500-1100℃；

第二步：分别用酸和水分两步洗涤；

第三步：干燥得到富磷介孔炭。