[发明专利]一种氮、硫元素掺杂的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮、硫元素掺杂的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料及其制备方法和应用，制备方法包括如下步骤：将苋菜洗净、烘干，进行预碳化，得到苋菜基碳粉，将其分散在镧盐水溶液中，超声处理，然后进行水热反应，得到氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料，然后与硫氰化钾混合均匀进行煅烧，最后得到氮、硫元素掺杂的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料。本发明方法制得的氮、硫元素掺杂的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料具有较高的比表面积和孔隙率以及具有较好的电化学性能，作为电极材料应用于电解水制氢能够获得较低的析氢电位，应用于超级电容器能够获得较高的比电容和较高的容量保持率。

技术领域

本发明涉及碳纳米复合材料技术领域，具体涉及一种氮、硫元素掺杂的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济社会的发展，能源需求量越来越大。煤、天然气、石油等化石燃料属于传统不可再说能源，因此开发出供应稳定、使用高效的新能源迫在眉睫，该研究具有重要的社会意义。

氢气属于二次新能源，具有燃烧热值高、清洁无污染、应用范围广等优点，在航空航天、电子电器等工业领域及人类生活中占据重要的地位，在燃料动力方面具有不可替代的作用。目前，制氢的方法主要有煤气化法、蒸汽转化法及电解水法等。其中，电解水法是最易大规模应用的制氢方法，且所用设备简单，制备过程无污染，制备的氢气纯度较高。但是要实现大规模电解水制氢的关键是降低电解能耗，然而现有技术中的电极材料则表现出较高的析氢电位，因此需要开发出具有较低析氢电位的电极材料。

另外，考虑到稳定性、了持续大规模使用可再生的能源，电池或者超级电容器在能量储存方面起着重要作用。超级电容器由于具有较高的功率密度、较长的使用寿命、快速充放电性能、无污染等优点受到广泛关注。而影响超级电容器性能质量的关键就在于电极材料，而言开发具有优越性能的电极材料具有重大意义。而要获得超级电容器的理想电极材料必须要满足以下几个特点：高比表面积、合适的孔隙、良好的电导率、理想的电化学活性位点、优良的化学稳定性和热稳定性。现有的作为超级电容器的电极材料主要有以下几类：碳材料如活性炭、碳纳米管、模板碳等，金属氧化物材料如氧化钴、氧化钌等，导电聚合材料如PANI、 PPy、PTh等，复合材料。以上电极材料均各有优缺点，如碳材料孔隙率较小、赝电特性差导致比电容较低、容量保持率较差，金属氧化物比表面积较小导致比电容较小等，而如何将其进行取长补短制备出一种具有较高比电容及容量保持率的复合材料是难题。

发明内容

为了解决电极材料比表面积小、孔隙率小而导致的电解水制氢技术中析氢电位较高，以及导致的超级电容器比电容及容量保持率较低的技术问题，而提供一种氮、硫元素掺杂的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料及其制备方法和应用。本发明的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料具有较高的比表面积和孔隙率以及具有较好的电化学性能，作为电极材料应用于电解水制氢能够获得较低的析氢电位，应用于超级电容器能够获得较高的比电容和较高的容量保持率。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种氮、硫元素掺杂的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将苋菜洗净、烘干，进行预碳化，得到苋菜基碳粉；

(2)将所述苋菜基碳粉分散在镧盐水溶液中，超声处理，然后置于水热反应釜中进行水热反应，水洗、烘干后得到氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料；

(3)将所述氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料与硫氰化钾混合均匀进行煅烧，冷却后，洗涤、烘干后得到氮、硫元素掺杂的氧化镧/苋菜基碳纳米复合材料。

进一步地，步骤(1)中所述预碳化的过程是在管式炉中氮气气氛下于温度 300℃～400℃下进行预碳化1h～2h；步骤(2)中所述水热反应的温度为100℃～120℃、反应时间为10h～12h；步骤(3)中所述煅烧的过程是在管式炉中氮气气氛下于温度600℃～800℃下进行煅烧1.5h～2h。