[发明专利]一种氮硫共掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮硫共掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：(1)将石油焦粉碎、研磨处理后得到石油焦粉末；(2)将工业染料废水经过喷雾干燥后得到染料粉末；(3)将石油焦粉末在惰性气氛下进行预碳化处理，得到碳材料前驱体；(4)将碳材料前驱体和染料粉末与活化剂加入到超纯水中，混合干燥，得多孔碳前驱体；(5)将多孔碳前驱体进行高温煅烧，得到氮硫共掺杂的多孔碳材料粗品；(6)将粗品依次用超纯水、稀盐酸、水洗涤，过滤、干燥后即得。本发明以工业染料废水和石油焦为原料，变废为宝，从而达到保护环境和降低成本的目的，将其用于超级电容器，使其性能得到提高，在电流密度0.5A/g时到达183F/g的电容比容量。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料技术领域，特别涉及一种氮硫共掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用，还涉及氮磷共掺杂多孔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

随着现在科学技术的发展，超级电容器电极材料的种类也多种多样，可以应用于能源转化和储存，而碳基材料衍生的超级电容器电极材料的来源广泛，且比表面积大，导电性好，在超级电容器电极材料有较大的引用领域。通过改性得到的杂原子掺杂的碳材料可以有效地提高材料的导电性和循环稳定性，有利于电极材料性能的改善。

目前以生物质材料作碳源制备双元素掺杂的碳材料已有部分研究，中国专利(CN109019554A)将平菇原料与氮磷无机盐研磨混合后，进行热处理，制备具有双杂原子元素掺杂的多孔生物质碳材料；中国专利(CN107746055A)以具有特殊片层状结构的木耳为碳源，以硫脲作为N，S源，制备N、S掺杂的多级孔碳纳米片；中国专利(CN109019554A)以化工厂焦油废料为碳源，碳酸钾为活化剂制备多孔碳材料。但上述方法所需原料成本较高，不利于广泛推广应用。另外，中国专利(CN108328598A)利用絮凝淤泥与石油焦制备碳材料，此方法需要投入絮凝剂使得絮凝剂与染料分子或者染料分子之间结合形成大分子絮凝体沉淀下来，分子尺寸变大，影响石油焦和染料分子的充分混合，继而影响染料废水中杂元素与石油焦的有效掺杂，并一步影响电化学性能。

同时，石油焦作为延迟焦化装置的原料油在高温下裂解生产轻质油品时的副产物，是原油裂解后的工业废弃物，产量约为原料油的25-30％，如此大产量的工业废弃物对环境及能源是一种污染和浪费，急需找到一条合理的途径进行废物再利用。

再者，我国的工业染料废水具有水量大、有机污染物含量高、碱性大、水质变化大等特点，属难处理的工业废水之一，且不能很好地回收再利用。

但石油焦具多孔隙结构，主要的元素组成为碳，是生产碳材料的一种可行原料，并且染料废水中包含一定量的氮和硫元素，可以为碳材料的杂原子掺杂提供来源。目前尚未有专利和文献报道以石油焦作为碳源，以染料废水作为N、S源制备多孔碳材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有制备多孔碳材料所需的原料成本较高、技术复杂、性能较差等不足，提供一种由石油焦和染料废水制备多孔碳材料的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮硫共掺杂的多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将块状石油焦进行粉碎、研磨处理后得到石油焦粉末；

(2)将工业染料废水经过喷雾干燥后得到染料粉末；

(3)将石油焦粉末在惰性气氛下进行预碳化处理，得到碳材料前驱体；

(4)将碳材料前驱体和染料粉末与活化剂加入到超纯水中，混合均匀后进行干燥，得多孔碳前驱体；

(5)将多孔碳前驱体进行高温煅烧活化处理，得到氮硫共掺杂的多孔碳材料粗品；

(6)将氮硫共掺杂的多孔碳材料粗品依次用超纯水、稀盐酸、水洗涤，过滤、干燥后得到氮硫共掺杂的多孔碳材料。