[发明专利]一种制备和调控氮/硫共掺杂多孔碳的高内相乳液模板法

说明书

本发明公开了一种制备和调控氮/硫共掺杂多孔碳的高内相乳液模板法。首先将表面活性剂、单体和催化剂溶解在去离子水中得到水相，在机械搅拌条件下将油相缓慢滴加到水相中，得到水包油型高内相乳液，然后进行聚合反应，得到固体块状粗产物。通过索氏提取除去内相和真空干燥后得到多孔聚合物前驱体，经碳化、活化得到氮/硫共掺杂多孔碳材料。本发明通过改变三聚氰胺与硫脲的摩尔比，可对多孔碳孔结构和氮/硫含量进行有效调控。随着硫脲含量的增大，制备的多孔碳材料的比表面积逐渐增大，以其为电极材料制备的超级容器的比电容亦明显升高。以制备的氮/硫共掺杂多孔碳作为电极材料制备的超级电容器表现出良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于高分子材料制备技术领域，具体涉及一种制备和调控氮/硫共掺杂多孔碳的高内相乳液模板法。

背景技术

超级电容器是指兼有静电电容器和电池特性的一种新型储能装置。与传统储能装置相比，超级电容器具有更高的安全性，更长的循环寿命，更快的充电/放电能力以及更高的功率密度，因此在储能设备中具有巨大的潜力。超级电容器中起核心作用的部分是电极，应用于超级电容器的各种电极材料包括碳材料、导电聚合物、金属氧化物及其复合材料。由于来源广泛，易于获得高比表面积和优异的电导率，通常选择多孔碳作为电极材料。然而，作为双电层电容器的电极材料无法满足高能量和高功率密度的要求。克服缺点的成功方法之一是将一些杂原子掺入碳骨架中，从而可以增强导电性。来自杂原子和电解质之间发生的法拉第电荷转移反应可以产生额外的贡献。氮、硼、磷和硫等杂原子的掺入都可以改善碳材料的电化学性能。此外，共掺杂的策略已经被进一步应用到提高材料的比电容。

专利CN110538635A公开了氮硫共掺多孔磁性碳材料的制备，主要的步骤包括：1）称取间苯二酚、甲醛溶解在蒸馏水中，将混合液在40-50℃温度范围内搅拌，搅拌时间大于1h，称取三聚氰胺加入溶液中，加热至80℃以上，剧烈搅拌，得到溶液；（2）称取九水硝酸铁和硫脲，分别缓慢加入溶液中，搅拌，然后将混合液转入高压釜中，温度保持 180℃静态反应24h；（3）反应结束后，用布氏漏斗抽滤收集反应沉淀物，然后用蒸馏水润洗，得到湿润的氮硫共掺多孔磁性碳材料前驱体。将前驱体放入 100℃的真空干燥箱内，干燥12 小时，得到干燥的氮硫共掺多孔磁性碳材料。提供的氮硫共掺多孔磁性碳材料具有较大的比表面积，由其制成的吸附剂对甲基橙的吸附量高、吸附速度快，能够有效地吸附并回收水溶液中的甲基橙。但是其存在的问题是水热法工艺复杂，条件较为严苛，产生的孔径较为单一。

本发明采用高内相乳液模板法制备的多孔材料具有制备方法简单、孔径尺寸及分布可控、孔间可相互贯通等优点。本发明采用高内相乳液模板法，经过交联、聚合、碳化实现了氮/硫共掺杂多孔碳材料的制备、孔结构的构筑，并通过改变水相中单体的比例，实现对多孔碳材料孔结构的调控。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种制备和调控氮/硫共掺杂多孔碳的高内相乳液模板法。通过调整硫脲与三聚氰胺的摩尔比，可实现对制备的多孔碳材料孔结构及含氮量的调控。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：

一种制备和调控氮/硫共掺杂多孔碳的高内相乳液模板法，具体步骤如下：

（1）将单体、催化剂和表面活性剂完全溶解在去离子水中配成水相；

（2）在机械搅拌条件下将一定质量的油性溶剂作为油相缓慢加入到步骤（1）得到的水相中，搅拌2h得到不同的水包油型高内相乳液；

（3）将步骤（2）得到的高内相乳液密封后在75℃下进行聚合反应，反应时间为24h，得到固体块状粗产物，将粗产物在乙醇中索氏提取24h，除去内相，真空干燥后得到聚合物前驱体；

（4）将干燥后的聚合物前驱体在700℃、氮气保护下碳化2h，得到多孔碳材料；

（5）用一定量的氢氧化钾溶液与制备的多孔碳材料进行混合，干燥后进行活化，得到氮/硫共掺杂多孔碳。