[发明专利]一种超级电容器用氮磷共掺杂多孔碳片的制备方法

说明书

本发明公开了一种超级电容器用氮磷共掺杂多孔碳片的制备方法，包括如下步骤：(1)一次碳化：将碱木质素，植酸和尿素(或三聚氰胺)混合，经交联聚合后进行一次碳化反应；(2)二次碳化：将一次碳化产物与碱混合后进行二次碳化反应即得氮磷共掺杂多孔碳片。该方法以碱木质素为三维骨架，尿素(或三聚氰胺)和植酸结合形成二维片状结构经碳化得到一种二维三维结构共存的碳材料，表现出优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料制备领域，涉及一种超级电容器用氮磷共掺杂多孔碳片的制备方法。

背景内容

作为新型的电化学储能和能量转化器件，超级电容器凭借其快速充放电，高稳定性，高循环性和温度范围宽等优势得到越来越多的关注。超级电容器的电极材料是决定其电化学性能的主要因素，理想的电极材料应具有丰富的层级孔道，优异的导电性和在电解液中高的润湿性以实现快速充分的双电层反应和法拉第反应。活性炭作为最常用的超级电容器电极材料，不仅具有发达的孔道结构，巨大的比表面积，优异的导电性，还具有可调控的表面性质。

为得到电化学性能优异的活性炭材料，活化造孔和杂原子掺杂成为高温碳化过程中的常规手段。活化造孔主要是利用碱金属氢氧化物与碳反应生成碳酸盐和二氧化碳，以及碱金属进入碳材料内部后引起碳原子重排来实现的。经过碱金属活化，碳材料可以得到以大孔-介孔-微孔为主的层级多孔碳结构，实现充分的双电层反应。但该三维结构往往存在离子难以快速迁移，由于其密度较小，缺少高电化学反应性的边缘位点，这种结构的活性炭存在体积比电容较低的问题。因此，具有大量边缘位点的二维材料成为新的研究热点。常见的二维材料包括C₃N₄，B片等，但由于二维材料容易堆叠，同样难以实现高的离子迁移速率。因此，为综合三维孔结构和二维片边缘位点的优点，寻找一种构筑二维三维结构共存的碳材料成为必须。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是在于提供了一种超级电容器用氮磷共掺杂多孔碳片的制备方法，该方法以碱木质素为三维骨架，尿素(或三聚氰胺)和植酸结合形成二维片状结构经碳化得到一种二维三维结构共存的碳材料，表现出优异的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超级电容器用氮磷共掺杂多孔碳片的制备方法，包括如下步骤：

(1)一次碳化：将碱木质素、植酸、尿素或三聚氰胺混合，经交联聚合后进行一次碳化反应；

(2)二次碳化：将一次碳化产物与碱混合后进行二次碳化反应即得氮磷共掺杂多孔碳片。

优选的，步骤(1)中按质量分数计，碱木质素质量分数为20～40wt％，植酸质量分数为30～40wt％，尿素或三聚氰胺质量分数为30％～40％。

优选的，步骤(1)中交联聚合温度为90～110℃，时间为0.5～1.5h。

优选的，步骤(1)中一次碳化条件为：碳化温度为500～600℃，升降温速率为2～4℃min^-1，保温时间为1～2h。

优选的，步骤(2)中，一次碳化产物与碱的质量比为1：0.5～3.0，所述碱选自氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂中的至少一种。

优选的，步骤(2)中，二次碳化条件为：碳化温度为700～800℃，升降温速率为2～4℃min^-1，保温时间为1～2h。

优选的，步骤(2)中二次碳化产物先使用1～4mol L^-1盐酸溶液浸泡12～24小时后，再使用去离子水清洗至pH＝7，不高于90℃真空干燥至少24小时。

本发明还提供了一种由上述制备方法制得的氮磷共掺杂多孔碳片。

本发明还提供了氮磷共掺杂多孔碳片在超级电容器方面的应用，将其用作超级电容器电极材料。

本发明的工作原理是：