[发明专利]一种氮硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮硫共掺杂多孔碳材料，由葡萄糖、三聚氰胺、二甲基亚砜和浓硫酸，经质子化处理后，经加热反应、煅烧活化等操作制得。其比表面积范围在1203.9~1932.1 m² g^‑1，平均孔径分布均一，分布在1.421‑3.627 nm范围内。其制备方法为：1）三聚氰胺的质子化处理；2）含氮硫前驱体的制备；3）含氮硫前驱体的活化；4）含氮硫前驱体的后处理。作为超级电容器电极材料的应用，当电流密度为1 A g^‑1时，比电容值范围在180~293 F g^‑1。通过浓硫酸对三聚氰胺进行质子化处理，调整其电子结构获得高氮含量的电极材料；二甲基亚砜具有高极性和亲水性，有利于与葡萄糖的羟基进行掺杂反应，因此，本发明制得的碳材料具有优良的电化学性能，在超级电容器领域具有应用前景。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种氮硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器作为一种新型高效储能装置，其具有功率密度高、循环寿命长、充放电效率高、免维护、节能环保等等一系列优点，迅速在电动汽车、电力、铁路、消费性电子产品等众多领域得到应用。目前，超级电容器采用的电极材料主要有三大类：碳基材料、金属氧化物和导电聚合物。碳基材料中的多孔碳材料由于具有良好的物理化学性能，如比表面积大、孔隙结构可控、化学性质稳定、高导热、高电导率和原料丰富等特点，成为当前应用最广泛的一类电极材料。

多孔碳材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，因具有分子尺寸的均匀孔道结构，连续的孔道体系和大的比表面积等特性，在吸附、离子交换、特别是在电化学等领域有广泛的应用。科学研究表明，杂原子掺杂是提高多孔碳材料电化学性质的有效方法。尤其，氮原子是研究最多的掺杂剂，它可以在六元碳晶格引入更多的缺陷点位。除了氮，硫元素的掺杂也受到越来越多的关注。由于硫有一对孤对电子，容易极化，提高碳材料的化学活性。不仅如此，最近的理论计算证明：氮、硫元素的共掺杂可以带来协同效应由于电荷密度和自旋密度的重新分配。

已有研究（ACS Applied. Materials & Interfaces 2017, 9, 29753-29759 ）表明，氮硫共掺杂碳材料是一种良好的电极材料，但是其材料的氮含量仅达到5.7%，文章（Journal of Energy Chemistry 25 (2016) 587–593）中又有材料比表面积小，比电容低（0.5 A/g时比电容为200 F/g）的问题。高伟伟等（ACS Applied Materials & Interfaces2014, 6 (21), 19109–19117 ）采用一步直接热解合成法制备出了氮硫掺杂多孔碳材料，对原料直接进行热分解，得到材料的掺氮量为2%。

所以，现有技术存在：1、氮含量少；2、比表面积小；3、比电容低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法和作为双电层电容器的应用。

由于现有技术未采用质子化处理就直接进行热解的制备方法，导致所得的材料掺氮量较低。实验表明质子化处理有利于产生缺陷位，更有利于氮掺杂。因此，本发明采用浸渍法，用浓硫酸先对氮源进行质子化处理，然后再进行掺杂反应，从而实现产生更多缺陷位点而得到氮含量较高的多孔碳材料。浓硫酸是一种常见的强酸，有强氧化性，可用来对基底进行质子化处理。

葡萄糖是一种廉价易得自然界分布最广，绿色无毒的可再生能源。作为电极材料的来源，在工业化生产中具有节约成本和减少资源浪费的的优势。