[发明专利]一种杂原子掺杂含氮杂环配体衍生碳材料及其应用

说明书

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种杂原子掺杂含氮杂环配体衍生碳材料及其应用。本发明选择2‑（4‑羟基苯基）‑1氢‑咪唑并[4,5‑f]‑[1,10]菲咯啉为碳源，利用锌盐造孔和KOH活化后碳化得到杂原子掺杂含氮杂环配体衍生碳材料，其中锌盐造孔和KOH的活化刻蚀大大得提高了碳材料的比电容，这是因为刻蚀给碳材料带来了大量的孔结构，碳材料的比表面积增大，掺杂P原子可以进一步提高碳材料的比电容，是因为杂原子P的掺入能够创造更多的活性位点，会提高额外的赝电容从而提高碳材料的比电容。该杂原子掺杂含氮杂环配体衍生碳材料电化学性能优异，具有极大的制备超级电容器电极的应用前景。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种杂原子掺杂含氮杂环配体衍生碳材料及其应用。

背景技术

由于全球经济的快速增长，全球范围内的化石燃料消费量增加显著，这加速了化石燃料储备的枯竭和环境问题的恶化。因此，像由太阳和风产生的可再生能源以及二氧化碳排放量低的电动汽车受到了广泛关注，储能系统有望成为电源的基本元件。基于这方面，电池和电化学电容器被认为是两个重要的能量存储设备。电化学电容器也称为超级电容器，是一种具有高功率密度和长使用寿命的设备。根据不同的工作原理，超级电容器分为双电层电容器（EDLC）和伪电容器，其中前者通过离子在电极上的物理吸收来存储能量，而伪电容器的电极中发生可逆的氧化还原反应。

对于超级电容器，其电极材料是起关键性作用的一部分，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物和纳米复合材料等可用作超级电容器电极材料。其中碳材料具有可调控的孔结构、巨高的比表面积和良好的导电性，受到研究人员的广泛关注。大量的实验研究结果显示，对碳材料进行表面掺杂改性和合理的孔结构设计，可进一步拓宽其适用范围。然而，上述两种优化策略通常依赖于特定的模板和表面活性剂，因此具有制备过程复杂和成本较高的缺点。前驱体和改性方式对提高碳材料的比表面积和表面润湿性起到至关重要的作用，选择合适的前驱体和活化方式，可以简化实验步骤，节约成本，同时起到提高材料性能的作用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种杂原子掺杂含氮杂环配体衍生碳材料及其应用。

本发明所采取的技术方案如下：一种杂原子掺杂含氮杂环配体衍生碳材料，其为有机配体2-（4-羟基苯基）-1氢-咪唑并[4,5-f]-[1,10]菲咯啉（2-（4-hydroxyphenyl）-1H-imidazo [4,5-f]-[1,10] phenanthroline）与金属锌盐配位，引入杂原子磷，并通过氢氧化钾进行活化，最后通过热处理得到的。

其中，有机配体2-（4-羟基苯基）-1氢-咪唑并[4,5-f]-[1,10]菲咯啉的化学式如下所示：

。

优选的，其制备方法包括以下步骤：

（1）将有机配体2-（4-羟基苯基）-1氢-咪唑并[4,5-f]-[1,10]菲咯啉溶于第一溶剂中得到有机配体溶液，将金属锌盐溶于水中得到金属锌盐水溶液，将金属锌盐水溶液逐滴加入到有机配体溶液中，对反应体系进行搅拌使其反应；

（2）将磷酸盐加入到反应体系中，继续搅拌；

（3）将氢氧化钾溶解于乙醇水溶液中得到氢氧化钾溶液，然后将氢氧化钾溶液逐滴加入到反应体系中，继续搅拌，然后除去溶剂，获得固体产物；

（4）将获得的固体产物置于氮气保护下进行热处理，获得黑色固体产物。

优选的，步骤（4）中，热处理的温度为500-750℃。

优选的，步骤（4）中，热处理的温度为700℃。

优选的，步骤（2）中，磷与有机配体摩尔比为0.5-10:1。

优选的，步骤（2）中，磷与有机配体摩尔比为1:1。