[发明专利]一种锌离子混合电容器用氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳的制备方法

说明书

本发明公开了一种锌离子混合电容器用氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳的制备方法，属于炭材料制备与储能技术领域。该方法以生物质山楂为碳源，苯磷硫胺二钾盐为氮源、磷源、硫源和活化剂，具体步骤如下：S1：苯磷硫胺二钾盐的制备：先将苯磷硫胺与KOH在溶液状态下反应得到苯磷硫胺二钾盐；S2：反应物的预处理：将山楂洗净，去籽，干燥，称重，然后加入到S1步骤得到的苯磷硫胺二钾盐溶液中，封闭加热搅拌至山楂粉碎，随后加热蒸发去除水使山楂变成胶黏状，得到反应物；S3：氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳的制备：将S2步骤得到的反应物转移至磁舟中，经碳化、活化过程得到氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳。

技术领域

本发明涉及炭材料制备与储能技术领域，特别涉及一种锌离子混合电容器用氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳的制备方法。

背景技术

超级电容器具有快的充电速率、长的循环寿命、优异的稳定性，已经被广泛地应用与军工、交通和电子行业。然而，低的能量密度限制了进一步扩展其应用领域。为了克服这一瓶颈，研究者们寄希望于将电池高能量密度的优点与超级电容器相结合，开发出一种新的储能系统。锌离子电池已经被市场证明具有好的安全性能、高的能量密度，因此结合两者的优势开发一种新的储能装置具有重要的意义。作为最有应用前景的混合储能装置之一-锌离子混合电容器由正极材料、隔膜、电解液和锌箔负极组成，正极材料包括碳材料、金属材料及其复合物。碳材料作为廉价材料的代表之一，具有高的表面积、好的电导率和优异的化学稳定性。因此，如何简单快速低排放的制备碳电极材料显得尤为重要。

杂原子掺杂是提高碳正极材料电化学性能的有效途径之一。例如，Lu等通过插层法制备了B/N共掺杂多孔碳，组装成锌离子混合电容器时，在0.5A/g电流密度下，其比容为127.7mAh/g，能量密度为97.6Wh/kg(Nano Energy,2019,66,104132)。制备碳材料的原料很多，如生物质、煤化工副产物、金属有机化合物等，韩生等(202010431922.3)以山楂为碳源、KOH为活化剂，制备了多孔碳，上述方法虽然获得了活性炭，但活化剂碱性较强，后处理较麻烦。鉴于此，本发明以廉价的生物质山楂为碳源，苯磷硫胺二钾盐为氮源、磷源、硫源和活化剂，经碳化、热解得到氮磷硫共掺杂多孔碳，作为锌离子混合电容器正极材料时，显示了高的比容和能量密度以及优异的循环性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：提供了一种以苯磷硫胺二钾盐为氮源、磷源、硫源和活化剂，廉价的山楂为碳源，经过碳化、活化，利用自掺杂法制备锌离子混合电容器用氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

一种锌离子混合电容器用氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)苯磷硫胺二钾盐的制备：先将苯磷硫胺与KOH在溶液状态下于室温下反应6h，经过滤、低温干燥得到苯磷硫胺二钾盐；

(2)反应物的预处理：先将新鲜的山楂洗净，干燥，然后称取干燥的山楂加入到苯磷硫胺钾盐溶液中，封闭加热搅拌至山楂粉碎，随后加热蒸发水使山楂变成胶黏状，得到反应物；

(3)氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳的制备：把步骤(1)得到的反应物放入磁舟中，然后将上述磁舟置于管式炉的中心，以2℃/min的升温速率从室温加热至1000℃，保持一段时间后冷却至室温后，将产物取出、研磨、搅拌，经洗涤、干燥、研磨、过筛后得到氮磷硫共掺杂生物质基多孔碳；

优选地，苯磷硫胺与KOH物质的量的比为1:2。

优选地，所述山楂质量占山楂、苯磷硫胺二钾盐混合物总质量的1/9-1/5，山楂与苯磷硫胺二钾盐的质量比为1/4-1/8。

优选地，在步骤(1)中，所述山楂的质量为3g，苯磷硫胺二钾盐的质量为18g。

本发明获得的有益效果：