[发明专利]一种氮磷元素共掺杂碳材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种氮磷元素共掺杂材料的制备方法，其特征是将六氯环三磷腈单体作为氮、磷共掺杂源，通过化学反应分别接枝到反应基体上，包括如下步骤：（1）制备反应基体：以聚多巴胺或细菌纤维素为碳源，制备反应基体；所述反应基体的具体制备方法如下:以聚多巴胺为碳源，采用模板作为基底材料，分散于pH=8.5的Tris缓冲液，经超声处理形成悬浮液，再加入盐酸多巴胺、三嵌段共聚物，基底材料的质量浓度为0.5～5mg/mL，盐酸多巴胺的质量浓度为1～3mg/mL，三嵌段共聚物的质量浓度为0～9mg/mL，在空气氛围、20～35℃下搅拌10～30小时，经离心，洗涤，预冻，在冷冻干燥机中干燥15～30小时，即得到反应基体；

或者，以细菌纤维素为碳源，将细菌纤维素剪碎后分散在丙酮中，细菌纤维素的质量浓度为1～10mg/mL，在室温下浸泡20～40小时，经离心，洗涤，预冻，在冷冻干燥机中干燥15～30小时，即得到反应基体；（2）采用化学反应制备氮、磷元素共掺杂材料：将所述步骤（1）制得的反应基体分别分散于有机溶剂中，加入六氯环三磷腈单体，加入缚酸剂，反应基体的质量浓度为3～9mg/mL，六氯环三磷腈单体的质量浓度为5～30mg/mL，缚酸剂的质量浓度为0.03～0.07mg/mL，在惰性氛围环境、20～60℃下搅拌10～25小时，经离心，洗涤，预冻，在冷冻干燥机中干燥15～30小时，即分别得到所制备的氮磷共掺杂材料，其可进一步通过热处理变为碳材料用于超级电容器、锂离子电池、锂硫电池或钠离子电池电极材料；（3）热处理：将步骤（2）得到的氮、磷元素共掺杂材料在惰性氛围、600～1000℃下进行碳化，升温速度为1～10℃/min，降温速度为1～10℃/min，保温时间为2～5小时，即得到以聚多巴胺为碳源的氮、磷元素共掺杂碳中间体材料和以细菌纤维素为碳源的氮、磷共掺杂碳材料；（4）刻蚀：将所述步骤（3）得到的以聚多巴胺为碳源的氮、磷元素共掺杂碳中间体材料分散在氢氟酸中，实心碳球的质量浓度为6～15mg/mL，氢氟酸的质量浓度分数为5～15wt%，在空气、室温下搅拌2～10小时，经离心，洗涤，预冻，在冷冻干燥机中干燥15～30小时，即得到以聚多巴胺为碳源的氮、磷共掺杂碳材料。

2.根据权利要求1所述的氮磷元素共掺杂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的模板为以二氧化硅或金属氧化物为基底的零维、一维、二维及三维材料中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的氮磷元素共掺杂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的三嵌段共聚物为F127、P123的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的氮磷元素共掺杂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的有机溶剂为四氢呋喃、石油醚、正庚烷或环己烷的一种或多种组合。

5.根据权利要求1所述的氮磷元素共掺杂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的缚酸剂为三乙胺、吡啶的一种或两种组合。

6.根据权利要求1所述的氮磷元素共掺杂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）的惰性氛围为氮气或者氩气。