[发明专利]一种用于超级电容器电极材料的氮磷共掺杂多孔碳及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器电极材料的氮磷共掺杂多孔碳及其制备方法，该氮磷共掺杂多孔碳具有均相多级孔结构，多级孔包括大孔、介孔及微孔，其中，氮原子占总原子数的比例用x表示，0＜x≤5.0％，磷原子占总原子数的比例用y表示，0＜y≤3.0％。本发明的优点是：多孔碳材料比表面积可达1450.2m²/g，多孔碳中均匀掺杂了氮元素和磷元素，电流密度0.5A/g时的质量比电容可达405.3F/g，电流密度从0.5A/g增大到10A/g，比电容保留率可达80％以上；并且氮、磷的掺杂量可控；多孔碳中的氮磷共掺杂具有协同效应，可大大提升多孔碳材料的电容性能。

技术领域

本发明涉及一种用于超级电容器电极材料，具体涉及一种用于超级电容器电极材料的氮磷共掺杂多孔碳及其制备方法。

背景技术

随着全球化石能源的逐渐枯竭以及由化石能源消耗带来的严重环境问题，开发资源丰富、可再生、清洁的新能源引起了世界各国的高度重视。然而，太阳能、风能、海洋能等新能源具有间歇式供应、波动性大的特点，对持续供能不利。因此，高效的能源储存和转化装置是新能源利用的关键。超级电容器具有功率密度高、充放电迅速、循环寿命长、安全等特点，可广泛用于高功率用电领域，受到了研究者的广泛关注。

电极材料作为超级电容器的重要部分，是决定超级电容器性能的关键。碳材料具有比表面积高、导电性好、化学性质稳定、成本低廉以及来源丰富等优点，被广泛应用于制备超级电容器的电极材料。碳基超级电容器电极材料的研究主要集中在制备具有高比表面积、低内阻、表面官能团可调的多孔碳材料上。

最近的许多研究表明，在多孔碳中掺杂适量的杂原子，是提高碳基材料比电容的一种有效方法。另外，部分杂原子的掺杂还有利于提高导电性、改善碳材料表面的可润湿性，进一步提高了碳基材料的电化学性能。对于超级电容器用多孔碳材料的杂原子掺杂研究主要集中于N、B、P、S等杂原子。然而，要实现杂原子在多孔碳中的均匀、可控的掺杂仍是具有挑战性的课题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种氮磷杂原子共掺杂的、且掺杂量可控的用于超级电容器电极材料的多孔碳材料；本发明的第二目的是提供该多孔碳的制备方法。

技术方案：一种用于超级电容器电极材料的氮磷共掺杂多孔碳，该氮磷共掺杂多孔碳具有均相多级孔结构，所述多级孔包括大孔、介孔及微孔，其中，氮原子占总原子数的比例用x表示，0＜x≤5.0％，磷原子占总原子数的比例用y表示，0＜y≤3.0％。

本发明制备氮磷共掺杂多孔碳的方法包括如下步骤：

(1)将琼脂、大孔模板、氮原子掺杂剂、磷原子掺杂剂与水混合加热，冷却得到凝胶；其中，所述琼脂、大孔模板、氮原子掺杂剂、磷原子掺杂剂以及水的质量比为1:0.25～1:0.25～2:0.1～0.5:95～99；

(2)将所述凝胶冷冻干燥，碳化，使大孔模板形成多级孔结构，再经过酸洗、水洗及干燥制得。

步骤(1)中，所述大孔模板为聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球，当大孔模板采用聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球时，在高温下直接分解形成大孔，之后经过酸洗、水洗及干燥制得氮磷共掺杂多孔碳。所述大孔模板还可以为SiO₂微球，当大孔模板采用SiO₂微球时，在干凝胶碳化步骤之后，使用热的浓强碱溶液溶解去除SiO₂微球，之后再经过酸洗、水洗及干燥制得氮磷共掺杂多孔碳。所述氮原子掺杂剂优选为尿素和/或三聚氰胺。所述磷原子掺杂剂优选为植酸，植酸还可以在高温下分解形成介孔和微孔结构，方便调节多孔碳的孔结构。

步骤(2)中，所述碳化是将干凝胶在700～1000℃、N₂条件下碳化1～4h。