[发明专利]兰炭废水衍生的N-O-S自掺杂多孔炭的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种兰炭废水衍生的N‑O‑S自掺杂多孔炭电极的制备方法，涉及电化学技术领域，包括以下步骤：制备酚醛树脂；制备酚醛多孔炭；制备多孔炭电极。还提出了一种利用上述方法制备的多孔碳电极以及多孔碳电极在组装超级电容器上的应用。本发明利用兰炭废水制备了多孔碳电极材料，利用兰炭废水中丰富的酚类、NH₄⁺和SO₄^2‑，通过Na₂CO₃熔盐活化策略构建了半焦化废水基酚醛树脂衍生的N‑O‑S自掺杂多孔碳，使用Na₂CO₃做为活化剂，减小对设备的腐蚀。利用本发明方法制备的多孔碳电极组装的超级电容器在20A g^‑1的电流密度下循环10000次后，库仑效率和容量保持率分别为100％和99.4％；同时，本发明为兰炭废水处理的处理提供了一条新途径。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料制备技术领域，尤其涉及兰炭废水衍生的N-O-S自掺杂多孔炭的制备方法及其应用。

背景技术

单纯燃烧化石燃料获取能源已造成严重的环境问题，如土壤污染和全球变暖。目前，太阳能、热能和风能得到了广泛的发展，但由于其输出不稳定，应用受到了很大限制。因此，开发可靠的电化学储能系统可以帮助利用这些能源。超级电容器因其高功率密度、良好的充放电率和长循环寿命而受到广泛关注。在各种电极材料中，多孔炭材料由于其成本低、孔结构发达、化学稳定性好、环境友好等优点而被广泛用作电极材料，但低能量密度阻碍了其进一步的开发和应用。在碳基体中掺杂B、N、O、P、S等杂原子可以有效增加活性中心的数量，促进电荷扩散/转移，提高电解质离子孔的可达性，从而提高多孔碳的能量密度。

一般来说，制备碳材料有三种方法：(1)用二氧化碳、蒸汽或空气进行物理活化，然而，该方法所得碳材料产率低、孔径小和比表面积低；(2)使用KOH、NaOH和H₃PO₄进行化学活化可制备得到高比表面积碳材料，但涉及使用高腐蚀性蚀刻剂；(3)水热碳化，这种方法大大增加能源消耗。

最近，生物质废料、聚苯乙烯废料、包装废料和建筑废料等被用作制备多孔碳的原料，尽管利用废弃物作为前驱体具有成本低，符合可持续发展的优点，然而，由于废弃物中成份的复杂性，利用废弃物制备高性能多孔碳依然面临严峻挑战。煤炭中低温热解制备兰炭过程中产生大量兰炭废水，其含有大量难降解、剧毒的污染物，目前依然没有成熟的处理工艺，已经对环境造成巨大污染，其资源化利用是迫切需要解决的难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种炭废水衍生的N-O-S自掺杂多孔炭的制备方法及其应用。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提出了一种兰炭废水衍生的N-O-S自掺杂多孔炭电极的制备方法。

在一些可选实施例中，兰炭废水衍生的N-O-S自掺杂多孔炭电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)兰炭废水与甲醛溶液反应制备酚醛树脂；

(2)酚醛树脂制备酚醛多孔炭；

(3)制备多孔炭电极。

可选地，所述兰炭废水与甲醛溶液反应制备酚醛树脂的步骤包括：

a1、将80mL兰炭废水加入到100ml反应釜中，然后加入1.4mL甲醛溶液，将反应釜加热至140℃并保持4h；

a2、将加热后的反应釜再于60℃干燥12h，得到酚醛树脂。

可选地，所述酚醛树脂制备酚醛多孔炭的步骤包括：

b1、将酚醛树脂研磨成粉末；

b2、取酚醛树脂、碳酸钠与30ml去离子水混合，在室温下超声处理1h，得到混合溶液；