[发明专利]一种氮磷共掺杂生物碳/锰化合物复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了本发明涉及氮磷共掺杂生物碳/锰化合物复合材料的制备方法及应用，所述方法包括如下步骤：S1：鸡蛋黄和高锰酸钾按一定比例均匀混合，并在高压反应釜中水热反应24h；S2：反应结束后，冷却至室温并用乙醇洗涤，将沉淀烘干完全；S3：将所述干燥样品在惰性气体保护下进行高温处理，从而得到所述氮磷共掺杂生物碳/锰化合物复合材料。所述氮磷共掺杂生物碳/锰化合物复合材料具有优异的电学性能，从而可应用于电容器领域，尤其是超级电容器领域，具有良好的应用前景和工业化潜力。

技术领域

一种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材料的氮磷共掺杂生物质碳/锰化合物复合材料及其制备方法与用途，属于无机功能材料和电化学能源技术领域。

背景技术

随着便携式电子产品和电动汽车向着轻量化、小型化的快速发展，开发与之相匹配的兼具高体积能量密度和高功率密度的长寿命超级电容器成为当前的迫切需求。然而，目前以活性炭为超级电容器的电极材料具有非常高的功率密度和长循环稳定性，还存在能量密度偏低的缺陷，这极大地限制了超级电容器的大规模应用和产业化。

因此，寻找新型结构的杂原子掺杂的碳纳米材料(如：氮、磷、硫等)成为目前的研究热点。这些新型材料虽然可以有效地提高能量密度，但仍存在这成本高、合成过程复杂等诸多缺陷，并不能满足实际应用要求。而过渡金属氧化物如NiO、MnO₂等具有高的能量密度，但其功率密度低、循环稳定性差。因此，如何将过渡金属与低成本的碳材料进行有效复合，获得既有高的能量密度又有高的功率密度和稳定性是目前广大研究者追求的目标。

目前，废弃的生物质以其低成本、可再生、无污染等优异特点而引起广大科研工作者的关注，例如：

Ma等人(Advanced Energy Materials,2016(6)1)研究了以废茶叶为碳源，在700℃下简单碳化，制备氮掺杂的多孔活性炭。该材料平均孔径为2.3～6.6nm，比表面积为10.3～1143.9m²/g，功率密度为221W/Kg，能量密度较小，为13.5Wh/Kg，循环5000圈后，电容保持率为91％，但能量密度低。

Teo等人(Journal of Power Sources,2016(330)219)阐述了生物质稻壳作为碳源的应用。在不同温度下对其进行活化，该材料在1A/g的电流密度下，循环10000圈后，电容保持率为85％，比电容为147F/g，但是能量密度较小，为5.1Wh/Kg。

Long等人(Nano Energy,2015(12)141)以木耳为前驱体，通过直接碳化法合成了多孔碳材料，该材料循环稳定性优异，循环次数20000后，电容量仍保持在100％，但能量密度低。

Wang等人(ACS Nano,2013(7)5131)以大麻韧皮纤维为碳源，合成了部分相互关联的独特的纳米片材料，比表面积高达2287m²·g^-1，在电流密度为100A·g^-1，温度为20℃，40℃和60℃下，该材料比电容分别达到113F·g^-1，144F·g^-1和142F·g^-1，但电容保持率只有72-92％，稳定性不理想。

He等人(Journal of Power Sources,2015,(294)150)以亚麻纤维为碳源，在碳材料表面沉积MnO₂，以提高性能。该材料比电容达到687.73F·g^-1，能量密度达到46.54wh·kg^-1。在300A·g^-1下，比电容仍有269.04F·g^-1，能量密度仍有45.50wh·kg^-1,但是循环稳定性较差。