[发明专利]一种氮硫共掺杂树脂基炭电极材料的制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮硫共掺杂树脂基炭电极材料的制备方法和应用。其制备步骤如下：取一定比例的硫脲和甲醛水溶液分散到去离子水中，超声10 min；向混合溶液中加入一定量的质子酸，超声5 min，将反应溶液转移至反应釜中，在烘箱中加热反应；抽滤、洗涤、烘干产物，得到硫脲醛树脂；使用真空气氛管式炉碳化硫脲醛树脂，得到氮硫共掺杂树脂基炭电极材料。本发明制备的氮硫共掺杂树脂基炭电极材料具有结构稳定、电化学性能优异、倍率性能良好等优点，适合作为电极材料应用于超级电容器领域。

技术领域

本发明属于新能源电子材料技术领域，涉及一种氮硫共掺杂树脂基炭电极材料的制备方法和应用。

背景技术

为解决如今面临的能源危机，科研人员研究了各种新能储能元件，诸如锂离子电池、超级电容器、太阳能电池等，这些装置通常具备节能环保、可重复使用、稳定性优良、使用寿命长、储能量高等优势，逐渐取代现代能源市场普遍使用的一次性能电池等器件。其中，超级电容器已引起众多科研人员的注意，相关研究已广泛展开。

超级电容器主要由电极材料、电解液、隔膜和集流体四部分组成，而电极材料是其中最为关键的部分，电极材料的优劣很大程度上决定了超级电容器的性能。电极材料的类型众多，但基本可分为四类：碳材料、导电聚合物、金属氧化物以及基于前三种材料制备的复合材料。这四类材料各有优缺点，其中，碳材料因其原料来源广泛，种类丰富，制备成本低廉，合成方法简便，导电性高，机械性质良好，化学/电化学稳定性高，循环使用寿命优异，对环境友好等优点，是目前市场上唯一商业化的电极材料。

同时，碳材料也有非常明显的劣势，比如储能量相对较低、亲水性差，这是碳材料用作超级电容器电极材料的主要障碍。因此，人们研究了很多方法对碳材料进行改性，例如模板法、活化法、杂原子掺杂等，前两者能够有效提高碳材料比表面积，增大双电层电容，后者能够提高碳材料表面的亲水性，并且能够产生赝电容。Zhou等人通过碳化活化含氮聚合物制备了氮掺杂多孔炭电极材料，该电极材料表现出1463 m² g^-1的比表面积及3.3%的氮含量，在1.0 mol L^-1的H₂SO₄电解液中于0.1 A g^-1的电流密度下比电容为363 F g^-1(ZhouMin, Pu Fan, Wang Zhao, Guan Shiyou. Nitrogen-doped porous carbons throughKOH activation with superior performance in supercapacitors[J]. Carbon, 2014,68(3):185-194.)。

水热反应是一种常见的化学反应方式。从广义上来说，水热反应是指在高温、高压下在水、水溶液或蒸气等流体中所进行的有关化学反应的总称。在早期，水热法被用于模拟地下高温高压环境，研究矿石等物质的生成，到20世纪70年代，人们发现，水热法是一种制造粉体的先进方法。通过水热法制得的粉体具有晶粒发育完整，粒度小，且分布均匀，颗粒团聚较轻，易通过调节反应条件控制纳米微粒的晶体结构、结晶形态与晶粒纯度等优点，而且不需要研磨等后期处理，避免了对粉体结晶的破坏。因为水热反应独特的优势，目前已被应用到更加广泛的领域中。Liu等人通过水热法用硫脲掺杂碳材料制得氮硫共掺杂炭电极材料，该电极材料在1 mV s^-1的扫描速率下比电容值为281.2 F g^-1(Liu Jia, WangXianyou, Lu qun, Yu Ruizi, Chen Manfang, Cai Siyu, Wang Xingyan. Synthesis ofNitrogen and Sulfur Co-Doped Carbon Derived from Chromium Carbide for theHigh Performance Supercapacitor[J]. Journal of The Electrochemical Society,2016,163 (14): 2991-2998.)。