[发明专利]一种多孔碳十二面体电极材料的制备方法、产品及应用

说明书

本发明公开了一种多孔碳十二面体电极材料的制备方法、产品及应用，属于电极材料制备技术领域，所述方法包括以下步骤：对ZIF‑8纳米颗粒进行煅烧得到N‑PCD纳米颗粒，之后与硫源物质混合并再次煅烧即可；本发明通过在多孔碳电极材料中共掺杂氮和硫，使所得电极材料具有高的比容量，将该材料应用于锌离子混合超级电容器，具有较好的能量密度和优异的循环稳定性，本发明促进了对杂原子掺杂碳材料在锌离子混合超级电容器方面的研究，对于高循环性能的锌离子储能发展起到了一定的推动作用。

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种多孔碳十二面体电极材料的制备方法、产品及应用。

背景技术

随着智能化电子设备的广泛应用，开发安全高效长寿命的储能器件迫在眉睫。超级电容器虽然具有高的功率密度，但较低的能量密度始终是制约超级电容器发展的瓶颈。为了适应当代需求的超级电容器，设计组装混合型超级电容器或者锌离子混合超级电容器已经被证实是有效的途径。其中，由于锌金属在中性水溶液中可以稳定存在，并且由于锌的高比容量且储量丰富而受到广泛关注，但需要克服其循环性能不够理想的问题，因此具有长循环寿命的水系锌离子混合超级电容器成为最有希望的候选器件之一。

目前杂原子掺杂的碳作为锌离子混合超级电容器的阴极材料备受关注，由于碳材料具有高比表面积，结合杂原子掺杂，这不仅能提高电化学活性，提升电子/离子传输效率，还能在保持结构的稳定以及延长循环寿命方面起到一定的作用。《Journal of MaterialsChemistry A》(2020年，8卷，11617页)公开报道了一种N/O共掺杂的分级多孔碳，得益于其N,O的共同掺杂，所组装的锌离子混合超级电容器具有优秀的比容量以及在一万圈的循环下容量保持率接近百分百。《Advanced Functional Materials》(2020年，31卷，2007843页)公开报道了通过不同类型的化学还原方法和还原剂，合成了一系列的rGO材料，具有不同含氧官能团，羧基跟羟基被证明具有良好的增强性能的作用，该材料在两万圈循环下还能保持稳定。《Chemical Engineering Journal》(2021年，421卷，129786页)公开报道了经过酸处理后的碳纤维在五万圈循环后依旧能保持81％的容量。

虽然杂原子掺杂碳已经被广泛应用，但在保持材料高比容量的情况下使其循环性能也优异是一个难题。通过简单的方法制备具有N,S共同掺杂、高比容量、高能量密度及超高循环性能的锌离子混合电容器阴极材料还没有被报道。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种多孔碳十二面体电极材料的制备方法、产品及应用，通过在碳电极材料中共掺杂氮和硫，使其具有较高的比容量，由其组装的锌离子混合超级电容器具有较好的能量密度和优异的循环稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种多孔碳十二面体电极材料的制备方法，包括以下步骤：对ZIF-8纳米颗粒进行煅烧得到N-PCD纳米颗粒，之后与硫源物质混合并再次煅烧，得到所述多孔碳十二面体电极材料。

优选的，所述ZIF-8纳米颗粒的制备方法为：将乙酸锌与表面活性剂溶于无水甲醇中，得到乙酸锌甲醇溶液；将2-甲基咪唑溶于无水甲醇中，得到2-甲基咪唑甲醇溶液；之后将所得乙酸锌甲醇溶液加入2-甲基咪唑甲醇溶液中，搅拌、陈化，对生成的固体颗粒物进行离心洗涤并干燥即得所述ZIF-8纳米颗粒。

优选的，所述乙酸锌甲醇溶液的浓度为2.5～7.5g/L；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，浓度为16g/L；所述2-甲基咪唑甲醇溶液的浓度为5～10g/L；所述乙酸锌甲醇溶液与2-甲基咪唑甲醇溶液的体积比为1∶1。

优选的，所述搅拌在室温下进行，时间为1～2h；所述陈化时间为15～30h；所述干燥温度为80℃，时间为6h。

优选的，所述煅烧均在氮气氛围下进行，温度为500～900℃，升温时间为1～3h，保温时间为1～3h。