[发明专利]一种三维氮硫共掺杂多孔碳材料及制备方法与用途

说明书

本发明公开了及一种三维片状氮硫共掺杂多孔碳材料及制备方法与用途，所述方法为将吡啶、六氯丁二烯和三聚硫氰酸在高于大气压的反应压力下进行密闭反应，反应结束后，泄压至常压，干燥样品后，将所述样品在惰性气体保护下进行高温处理，从而得到所述三维片状氮硫共掺杂多孔碳材料。本发明所述三维片状氮硫共掺杂多孔碳材料具有优异的电化学性能，从而可应用于化学储能领域，尤其是超级电容器领域，具有良好的工业化的价值。

技术领域

本发明提供了复合材料及其制备方法与用途，更具体而言，提供了一种可用于超级电容器的三维氮硫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。

背景技术

随着人口不断增长，现代化自动化程度不断地进步和革新，能源的需求量也越来越大。然而，传统的化石能源有不断消耗殆尽的趋势，再加上数十年大量化石能源的消耗给地球环境带来了巨大影响。因此，寻找新的可再生替代能源是维持人类可持续发展的唯一途径，也成为了本世纪众多科学家研究的重点课题。超级电容器、作为一种绿色能源，因其具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长和节能环保等特点，备受广大学者关注。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。碳材料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，具有高的比表面积，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。

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，由此产生赝电容，使电极材料的比电容值增加。

目前，杂原子掺杂的碳材料以其高比表面积、高导电性等优异特点而引起广大科研工作者的关注：

CN201410063014.8提供了一种以动物毛发和水溶性淀粉为原料制备用于超级电容器的氮硫双掺杂活性炭的方法。原料经过水热碳化和NaOH活化步骤等，获得了氮硫双掺杂活性炭，其比电容值最高达350F/g，但大电流条件下，比电容不理想。CN107195475A公开了一种N、S和P共掺杂多孔碳材料的制备方法，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。此方法反应步骤繁琐、难以工业化生产。

如上所述，现有技术中公开了多种利用杂原子前驱体制备新型材料的方法，并由此得到了多种具有优异电学性质的新型材料，但这些新型材料虽然经过直接碳化、活化而具有了多孔性、高比表面积等性能，但在电学性能上，仍存在大电流充放电差、能量密度较低等缺陷，这严重限制了其实际的应用和工业化生产。

因此、基于目前利用杂原子掺杂碳材料制备超级电容器电极材料的缺陷，如何利用新方法提高其性能具有十分重要的意义，也是目前电化学能源领域的研究热点和重点，而这也正是本发明得以完成的基础所在和动力所倚。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种三维氮硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法。

一种三维片状氮硫共掺杂多孔碳材料，其特征在于：所述的多孔碳材料按照如下方法进行制备：

(1)将吡啶、六氯丁二烯和三聚硫氰酸混合，在1-5MPa的反应压力下，在140-260℃下密闭反应2-10h，反应结束后将所得反应混合液蒸除溶剂，烘干得到产物A；所述吡啶、六氯丁二烯和三聚硫氰酸的质量比为24：1～6：1～6；