[发明专利]一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭，还公开了一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭的制备方法，包括：将剑麻纤维依次在混合溶液中浸渍、干燥、炭化活化、洗涤、烘干，得剑麻基氮磷共掺杂活性炭；其中，所述混合溶液由氢氧化钾、过氧化氢溶液、尿素及磷酸钾加入去离子水中配制而成；本发明还提供一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭的应用。本发明采用一步法处理剑麻纤维，使得利用剑麻纤维制备的剑麻基氮磷共掺杂活性炭为分级多孔结构，并具有合理的比表面积和优异的电学性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器领域。更具体地说，本发明涉及一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭及其制备方法和应用。

背景技术

煤炭、石油等不可再生化石燃料资源的过度消耗，对现代社会的可持续发展产生了严重的危机，开发和高效利用可再生资源是最有希望解决上述问题的的方案。生物质作为地球上最丰富的可再生资源之一，由于其可用性、可持续性、独特的结构和低成本，利用各种生物质材料作为碳源制备活性炭应用于超级电容器已成为储能技术的研究热点。

超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能装置。由于其在便携式设备、电动汽车和固定储能系统中的各种应用，被认为是储能方案中的潜在候选者之一。与其他储能系统如电池和传统电容器相比，超级电容器有三大优点：比功率高，使用寿命长，以及快速的充放电过程。超级电容器的性能在很大程度上取决于所采用的电极材料。超级电容器的电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等，由于碳材料价格相对较低，物化性质稳定，电化学性能优良，循环寿命更长等特点，碳材料是人们应用和研究最多的电极材料。

普遍认为，电极材料中微孔的存在可以显著地增加比表面积，从而大幅提高比电容。但具有复杂孔结构的微孔对电极材料的电化学性能并不是十分有利。据报道，具有超微孔(0.70nm)的电极材料因离子在低电流密度下的脱溶而导致相对较高的特殊电容，但这些孔在大电流密度下没有参与离子的吸脱附，从而导致较差的倍率性能。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭，还提供一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭的制备方法，包括以下步骤：将剑麻纤维依次在混合溶液中浸渍、干燥、炭化活化、洗涤、烘干，得剑麻基氮磷共掺杂活性炭；其中，所述混合溶液由氢氧化钾、过氧化氢溶液、尿素及磷酸钾加入去离子水中配置而成。该制备方法的活化和掺杂这两个过程更充分，使制备出的剑麻基氮磷共掺杂活性炭为分级多孔结构，分级多孔包括介孔和大孔，介孔的存在有利于电解液离子的快速传输，大孔则能作为电解液的储存库，减小离子扩散所需的距离。分级多孔将其不同大小的孔的优点结合起来。而且剑麻产量丰富，价廉易得，该活性炭制备步骤简单绿色，产品孔结构多样可控，使得该活性炭材料制备出的电极材料具有高能量密度、高比电容和优异的倍率性能。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭，为分级多孔结构，比表面积为1039～2066m² g^-1，比电容为160～230F g^-1。

还提供一种剑麻基氮磷共掺杂活性炭的制备方法，包括：将剑麻纤维依次在混合溶液中浸渍、干燥、炭化活化、洗涤、烘干，得剑麻基氮磷共掺杂活性炭；其中，所述混合溶液由氢氧化钾、过氧化氢溶液、尿素及磷酸钾加入去离子水中配制而成。

优选的是，所述剑麻纤维与所述水的比例为1g：10mL；

所述剑麻纤维与所述氢氧化钾的质量比为1:0.7～1.2；

所述剑麻纤维与所述过氧化氢溶液的质量比为1:0.06～0.10；

所述剑麻纤维与所述尿素的质量比为1:0.5～0.8；

所述剑麻纤维与所述磷酸钾的质量比为1:0.2～0.4。