[发明专利]一种氮硫共掺杂的生物质衍生碳材料及其合成方法与应用

说明书

本发明公开了一种氮硫共掺杂的生物质衍生碳材料及其合成方法与应用，其是以生物废弃物冬笋壳作为碳源和氮源，经过球磨获得粉末状的生物质颗粒；然后以EDOT为硫源，利用原位生长的方法，在生物质颗粒表面聚合形成PEDOT；最后将所得到的复合物经过一步碳化活化，从而获得氮硫共掺杂的生物质衍生碳材料。本发明的合成方法简单，所得产物形貌均匀、比表面积大，结合了生物质材料的优势，且引入了杂原子的赝电容反应，使它作为超级电容器的电极材料时具有更好的性能。

技术领域

本发明属于超级电容器领域和纳米材料合成领域，具体涉及一种氮硫共掺杂的生物质衍生碳材料及其合成方法。

背景技术

超级电容器作为一种兼有传统电容器与二次电池优点的新型储能器件，能提供高于传统电容器的能量密度，以及相较于二次电池更加优异的功率密度和循环寿命，有望广泛应用在能量转化、航天系统、通讯工程以及微电子器件等领域。从能量存储机理来看，超级电容器主要有：以碳相关材料做电极的双电层电容器，其依靠在电极/电解液表面的电荷分离存储能量；以聚合物、金属氧化物做电极，依靠电极在电解液中的法拉第反应来存储能量的赝电容器。然而，超级电容器具有低能量密度(～5Wh kg^-1)的缺点，这对于超级电容器工业的发展是一个具有挑战性的课题。

电极材料的研究是提升超级电容器电化学性能的一个关键因素。对于碳基电极材料而言，高比表面积、分层的多孔结构以及杂质原子的引入都会影响到材料的电化学性能。而将杂原子引入到碳基材料中，可有效的改善碳原子的表面结构，进一步提高碳基材料的电化学性能。因此，在碳材料中引入杂质原子对于开发高性能先进电极材料和未来超级电容器的实际应用具有重要意义。

利用生物质作为原材料，具有原料丰富、价格低廉和较大比表面积等的优势，被广泛应用于微波吸收、污水处理、催化剂载体和电化学电极材料。另外，生物质纳米孔碳的来源可再生、环境友好且无毒。这些优势使得它们成为了发展和合成杂化电极材料的重点采用的碳基材料之一。

发明内容

为避免上述现有技术所存在的问题，本发明提供了一种氮硫共掺杂的生物质衍生碳材料及其合成方法与应用，所要解决的技术问题在于通过将生物质前体与其他含杂原子的前体混合处理，得到富含杂原子的生物质衍生碳，以使其作为超级电容器的电极材料时具有更好的性能。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明首先公开了一种氮硫共掺杂的生物质衍生碳材料的合成方法，其是以生物废弃物冬笋壳作为碳源和氮源，经过球磨获得粉末状的生物质颗粒；然后以EDOT为硫源，利用原位生长的方法，在生物质颗粒表面聚合形成PEDOT；最后将所得到的复合物经过一步碳化活化，从而获得氮硫共掺杂的生物质衍生碳材料。具体包括如下步骤：

(1)将冬笋壳切片后，清洗、干燥，然后放到球磨机中研磨成粉，获得粉末状的笋壳小颗粒，记作Raw-C；

(2)在冰水浴条件下，将4g Raw-C加入到400mL1mol/L的稀盐酸中，搅拌0.1～1h；再加入0.02mol EDOT，继续搅拌0.5～1h；然后使用滴定管逐滴加入含0.04mol APS的40mL水溶液，继续搅拌12h；

所得产物通过去离子水进行抽滤清洗后，再经干燥，获得复合碳前驱体，记作PEDOT@Raw-C；

(3)将1g PEDOT@Raw-C与1g KOH加入到适量去离子水中混合，80℃下进行磁力搅拌干燥，直至水分完全蒸发；然后将所得混合物置于管式炉中，氮气环境下升温至500～700℃，恒温碳化活化2h；所得产物用去离子水清洗至中性，即获得目标产物氮硫共掺杂的生物质衍生碳材料。

进一步地，步骤(1)中，所述清洗是依次使用去离子水、丙酮和乙醇各超声清洗20min。

进一步地，步骤(1)中，所述研磨的转速为450rap/min、时间为8～10h。