[发明专利]氮硫磷掺杂有序介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磷掺杂有序介孔碳材料及制备方法和应用，所示的氮硫磷掺杂有序介孔碳材料具有有序介孔结构，并掺杂有氮、硫、磷三种元素，通过两步法将前驱体填充进入有序介孔氧化硅SBA‑15的孔道，第一步先将磷酸和硫酸的混合酸通过浸渍法填充入SBA‑15的孔道，第二步在水热釜内将气相的吡咯和2‑氨基吡咯引入SBA‑15的孔道，无机酸与吡咯类化合物进行聚合反应生成聚吡咯类化合物，通过高温碳化和去除模板得到氮硫磷掺杂有序介孔碳材料，该碳材料具有较大的比表面积、较大的孔体积和优异的超级电容性能。

技术领域

本发明涉及有序介孔碳材料，特别是涉及一种氮硫磷掺杂有序介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的电化学储能器件，具有充放电效率高、循环寿命长、环保性能好、安全可靠、功率密度高等优点，而超级电容器的电极材料是决定超级电容器性能的一个关键性因素。活性炭是最广泛使用的超级电容器电极材料，然而活性炭的微孔结构、疏水性以及缺少活性位点，限制了其在超级电容器领域的应用。而杂原子掺杂是一种提高表面润湿性和电化学性能的有效手段。杂原子的存在可以提高碳材料的导电性和形成更多缺陷，从而可以增加碳材料的赝电容，大大提高碳材料的能量储存能力。此外氮硫磷等杂原子掺杂可以增加碳材料的亲水性，提高碳材料与电解液的接触能力，从而提高碳材料的双电层电容性能。因此开发具有适宜的孔结构以及杂原子掺杂的碳材料来提高超级电容器的电容性能是非常必要的。

中国专利CN108288547A公开了一种氮硫磷掺杂的有序介孔碳材料的制备方法。该方法以有序介孔二氧化硅KIT-6为模板，通过纳米灌注法将蔗糖、磷酸和氨基硫脲混合溶液与KIT-6分散液搅拌陈化，将得到的糊状复合物干燥后在氮气热解，最后通过于氢氟酸溶液中并搅拌以除去KIT-6模板得到氮磷硫共掺杂有序介孔碳材料。中国专利CN103072972A、J.Mater.Chem.A,2013,1,7584–7591以及ACS Appl.Mater.Interfaces 2014,6,2657-2665等公开了一种氮磷掺杂的有序介孔碳材料的制备方法，通过将吡咯和硫酸混合形成吡咯低聚物，然后加入有序介孔二氧化硅SBA-15，将吡咯低聚物浸渍进入SBA-15的孔道，然后通过高温碳化和氢氟酸溶液去除模板得到氮磷掺杂的有序介孔碳材料。这种方法可能存在的问题是吡咯遇到硫酸会立即发生聚合反应，生成的部分聚合物由于尺寸太大而难以充分进入SBA-15的纳米级孔道，导致有部分聚合物并未利用SBA-15的纳米级孔道生产有序介孔碳材料。

综合上述有关制备氮硫磷掺杂介孔碳材料的制备方法。由于有序介孔氧化硅的纳米级尺寸孔道限制，现有技术将前驱体完全填充入有序介孔氧化硅的孔道存在一定的困难，部分前驱体或者前驱体相互反应的产物并未填充进入孔道，导致合成的有序介孔碳材料结构不够均一。因此尚需进一步研发前驱体完全填充入有序介孔氧化硅的孔道的方法，优化材料的制备工艺，提高材料性能，使其具有更好的应用效果。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种氮硫磷掺杂有序介孔碳材料及其制备方法，该制备方法工艺简单易控，重现性好，所制得材料的结构均一性好，作为超级电容器的电极材料具有优异的电容性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种有序介孔碳材料，所述碳材料具有有序介孔结构，所述介孔碳材料掺杂有氮硫磷三种元素。所制备的氮硫磷掺杂有序介孔碳材料是通过分步填充的方式将前驱体填充入有序介孔氧化硅孔道中。

于本发明一实施例中，所述氮、硫、磷三种元素含量分别为所述介孔碳材料质量的0.1～15wt％。

一种有序介孔碳材料的制备方法，采用两步法进行制备，所述两步法为：分别将无机酸和有机物前驱体先后填充到有序介孔氧化硅分子筛SBA-15的孔道中。

于本发明一实施例中，第一步先将无机酸通过浸渍法填充入SBA-15的孔道，第二步在水热釜将气相的吡咯类化合物引入SBA-15的孔道，所述无机酸与吡咯类化合物进行聚合反应生成聚吡咯类化合物，然后通过高温碳化和去除模板得到氮硫磷掺杂的有序介孔碳材料。