[发明专利]一种氮磷共掺杂多孔生物质碳材料及其制备方法和在超级电容器中的应用

说明书

本发明公开了一种氮磷共掺杂多孔生物质碳材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。将平菇原料与氮磷无机盐研磨混合后，置于保护下，进行热处理，即得具有双杂原子元素掺杂，且孔隙结构发达，导电性好，活性位点多的多孔生物质碳材料，将其作为超级电容器电极材料应用，可以获得较高的倍率性能及比容量的超级电容器。且生物质碳材料的制备方法简单、成本低，有利于工业化应用。

技术领域

本发明涉及一种生物质碳材料，特别涉及一种氮磷共掺杂多孔生物质碳材料及一步高温制备氮磷共掺杂多孔生物质碳材料的方法，还涉及氮磷共掺杂多孔生物质碳材料作为电容器电极材料的应用，属于电容器电极材料制备技术领域。

背景技术

活性碳材料是目前商用电容器中应用最广泛的材料之一，生物质碳材料具有的来源广泛，价格低廉，制备简单，绿色环保等多种优点，因而常被用来开发双电层电容器电极材料。然而，生物质碳材料的亲水性较低导致电极和电解液的界面电阻增大，此外这些生物质碳材料的导电性都比较差，限制了内部电子的转移，特定的活性位点有限因而仅表现出中等的电容性能，导致由这些生物质碳材料制成的超级电容器仅仅具有较低的能量密度，限制了超级电容器的发展。

因此，在碳材料中掺杂引入非金属杂原子(如N，S，P等)，其可以可大幅提高碳材料的电容性能。改变碳原子周围的电子分布，提升材料电导率，同时杂原子的引入，还可以增加一定的赝电容，能大大提高碳材料的能量储存能力。目前以生物质材料为前驱体制备双元素掺杂的碳材料已有部分研究，中国专利(CN106881138A)中，以生物质壳聚糖作为碳源和氮源(同时也作为含氮配体)，以有机磷化合物三苯基膦为含磷配体，该方法需要先经过金属盐溶液进行配位，进一步采用氯化锌作为活化剂，获得氮磷共掺杂生物质碳材料，其过程需要进一步引入活化剂，步骤较为复杂。另外，中国专利(CN107601502A)公开了通过分别引入非金属元素的方式进行双掺杂，其第二次的掺杂过程，往往会使第一步掺杂进入的元素进一步发生变化，对于掺杂量不能很好的调控；中国专利(CN107394217A)公开首先将生物质原料进行碳化，进一步再次活化和掺杂，其过程较为复杂，且生物质本身的一些孔道分布优势可能会破坏。

发明内容

针对现有杂原子掺杂生物质碳材料的存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种具有双杂原子元素掺杂，且孔隙结构发达，导电性好，活性位点多的多孔生物质碳材料。

针对现有技术中杂原子掺杂生物质碳材料的制备方法存在的缺陷，本发明的第二个目的是在于提供一种通过一步碳化制备所述氮磷共掺杂多孔生物质碳材料的方法，该方法不但步骤简单，且可以同时掺杂双杂原子，并且氮磷双杂原子的比例易于调控，相对现有技术具有明显的技术优势。

本发明的第三个目的是在于提供氮磷共掺杂多孔碳材料在超级电容器中的应用，将其作为超级电容器电极材料，制备的超级电容器表现出优异的电化学性能，如具有较高的倍率性能及比容量。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种氮磷共掺杂多孔生物质碳材料的制备方法，该方法是将平菇原料与氮磷无机盐研磨混合后，置于保护下，进行热处理，即得氮磷共掺杂多孔生物质碳材料。

优选的方案，所述氮磷无机盐包括磷酸一铵、磷酸二铵、磷酸三铵、亚磷酸氢二铵、次磷酸铵、偏磷酸铵、焦磷酸铵中至少一种。本发明采用的氮磷无机盐在氮磷共掺杂多孔生物质碳材料的制备过程中起着至关重要的作用，主要表现在以下几个方面：1)这些氮磷无机盐同时包含氮和磷，在高温热处理过程中，氮磷可以同时替换部分碳进行掺杂；2)这些氮磷无机盐含有固定的氮磷比，可以对掺杂的氮磷比例进行有效的调控，克服了现有技术中双杂原子掺杂过程中氮磷比例难以调控的技术问题，3)这些氮磷化合物在高温分解过程中可以同时产生气体和具有腐蚀性的磷酸盐，产生的气体逸出可以将部分熔融有机质“撑”出孔隙，而腐蚀磷酸盐可以腐蚀造孔，因此的平菇原料碳化过程中在原有的孔隙结构基础上，进一步丰富孔隙结构。