一种棒状的磷掺杂介孔碳及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种棒状的磷掺杂介孔碳及其制备方法和应用。所述棒状的磷掺杂介孔碳材料为介孔结构，按原子百分比计算，磷元素含量为0.51-0.66%，余量为碳，孔径分布在1.57-2.04nm，比表面积约942-1513m2/g，孔体积为0.85-1.18cm3/g。其制备方法即将棒状的介孔二氧化硅、有机高分子聚合物、含磷前驱体和乙醇混合后，搅拌使碳源和磷源充分浸渍到介孔二氧化硅的孔道中；待乙醇挥发完全后干燥得到磷源/碳源/二氧化硅复合物，然后高温碳化，得到的棒状的磷掺杂的介孔碳/二氧化硅复合物于氢氟酸水溶液中去除二氧化硅，然后干燥得磷掺杂的棒状介孔碳材料，用于制作超级电容器所用的电极材料。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开一种棒状的磷掺杂介孔碳及其制备方法和应用。所述棒状的磷掺杂介孔碳材料为介孔结构，按原子百分比计算，磷元素含量为0.51-0.66%，余量为碳，孔径分布在1.57-2.04nm，比表面积约942-1513m2/g，孔体积为0.85-1.18cm3/g。其制备方法即将棒状的介孔二氧化硅、有机高分子聚合物、含磷前驱体和乙醇混合后，搅拌使碳源和磷源充分浸渍到介孔二氧化硅的孔道中；待乙醇挥发完全后干燥得到磷源/碳源/二氧化硅复合物，然后高温碳化，得到的棒状的磷掺杂的介孔碳/二氧化硅复合物于氢氟酸水溶液中去除二氧化硅，然后干燥得磷掺杂的棒状介孔碳材料，用于制作超级电容器所用的电极材料。【专利说明】一种棒状的磷掺杂介孔碳及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种棒状的磷掺杂介孔碳材料及其制备方法和其用于制作超级电容 器所用的电极材料的应用，属于无机纳米材料及电化学领域。
技术介绍
根据电子能量储存机理的不同，超级电容器分为双电层电容器和赝电容电容器， 与二次电池和传统的电容器相比具有较高的功率密度，快速充放电过程和较长的循环寿 命。超级电容器的核心部分就是电极材料，目前应用于超级电容器电极的主要是碳基多孔 材料，要求材料具有较大的比表面积和合适的孔尺寸。为了提高碳基材料的性能，人们集中 研究在通过形貌转变产生的孔道结构的改变，已经制备出具有不同结构的碳材料。然而除 了对结构的设计，人们对杂原子掺杂的赝电容产生浓厚的兴趣。对碳材料进行氮、硫、硼或 者磷的掺杂可以提高材料的赝电容和电子导电性，从而提高其电化学性能。 Meng Li等人利用三聚氰胺树脂和酚醛树脂分别作为氮源和碳源，F127作为结 构导向剂通过水热反应交联结合得到了氮掺杂的有序介孔碳材料，并进一步与二维的石 墨烯碳框架作为导电衬底复合得到氮掺杂碳/石墨烯材料作为电极，在0. 2 Af1电流密 度下的比电容量可达289 Fg4,氮掺杂修饰的石墨烯材料表现出较好的电化学性能(Meng Li，JunminXue. J. Phys. Chem. C 2014，118，2507 - 2517)。 刘滋武等人利用三苯基膦和甲苯分别作为磷源和碳源，在固体催化剂FeMo/ ΑΙΑ和气相催化剂二茂铁的催化作用下，经过气相沉积法（CVD法）得到了磷掺杂的碳 纳米管材料。该专利只是报道了一种使用CVD方法制备磷掺杂多壁碳纳米管的方法， 磷元素的掺杂可能会导致碳材料的形貌结构等的变化，但专利中并没有对材料的性能 的变化等作进一步的研究(刘滋武；彭峰.一种磷掺杂多壁碳纳米管的制备方法：中国， 102020264A, 2011-04-20)。 苟兴龙等人将氧化石墨烯与含磷前驱体混合，使得活性磷元素或掺杂或附着在氧 化石墨烯基质碳骨架上得到磷掺杂的石墨烯氧还原电催化剂。经过磷元素的掺杂，该催化 剂的催化活性好，稳定性好既可以应用于燃料电池和金属空气电池的电催化剂，也可以应 用于锂离子电池和超级电容器等领域(苟兴龙，李容.一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂 及其制备方法和应用：中国，103495430A ，2014-01-08 )。 目前对于碳材料的杂原子掺杂以及制备碳基复合物是电化学超级电容器研究的 热点，通过杂原子掺杂的方法可以提高比电容量。其中，氮元素掺杂的材料应用于超级电容 器电极材料，电化学性能较好；但是对磷掺杂的碳复合物的超级电容器性能研究得到比较 少。 目前，还没有出现具有特殊形貌如棒状的磷掺杂介孔碳的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种棒状的磷掺杂介孔碳材料。 本专利技术的目的之二是提供上述的一种棒状的磷掺杂介孔碳材料的制备方法。 本专利技术的目的之三是提供一种上述的棒状的磷掺杂介孔碳材料作为超级电容器 所用的电极材料的制备方法。 本专利技术的技术方案 一种棒状的磷掺杂介孔碳材料，按原子百分比计算，磷元素的掺杂含量为〇. 51-0. 66%， 余量为碳，孔径分布在1. 57-2. 04nm，比表面积约942-1513m2/g，孔体积为0. 85-1. 18cm3/g。 上述的棒状的磷掺杂介孔碳材料的制备方法，具体包括如下步骤： (1 )、以棒状的介孔二氧化硅为硬模板、有机高分子聚合物为碳源、含磷前驱体为磷源、 乙醇做溶剂； 将介孔二氧化硅、有机高分子聚合物、含磷前驱体和乙醇进行混合，搅拌使得有机高分 子聚合物、含磷前驱体充分浸入到棒状的介孔二氧化硅的孔道中，待溶剂乙醇挥发完后，控 制温度为40-100°C进行干燥，得到磷源/碳源/二氧化硅复合物； 上述所用的棒状的介孔二氧化硅，有机高分子聚合物，含磷前驱体和乙醇的量，按棒 状的介孔二氧化硅：有机高分子聚合物：含磷前驱体：乙醇的质量比为1 :1. 11?1. 25 : 0· 11 ?1. 0 :20 计算； 所述的棒状的介孔二氧化硅，其孔体积为1. 〇 - 1. 5cm3/g，优选其长轴为2. 80 μ m，短轴 大约为〇· 55μπι，轴比为5. 1 ; 所述的有机高分子聚合物为酚醛树脂、糠醇树脂或蔗糖； 所述的含磷前驱体为三苯基膦或磷酸氢二钾； (2) 、在氮气气氛下，将步骤（1)所得的磷源/碳源/二氧化硅复合物控制升温速率为 1°C /min升温到600°C焙烧2h，然后再以2°C /min升温到700-1000°C焙烧2h，得到棒状的 磷掺杂介孔碳/二氧化硅复合物； (3) 、将步骤（2)得到的棒状的磷掺杂介孔碳/二氧化硅复合物在质量百分比浓度为 5-10%的氢氟酸水溶液中搅拌2h，以去除模板剂二氧化硅，然后离心，所得的沉淀用去离子 水洗涤直至洗出液的pH为中性，控制温度为100°C进行干燥，即得到棒状的磷掺杂介孔碳； 上述的棒状的磷掺杂介孔碳/二氧化硅复合物和质量百分比浓度为5-10%的氢氟酸水 溶液的使用量，按棒状的磷掺杂介孔碳/二氧化硅复合物：质量百分比浓度为5-10%的氢氟 酸水溶液为lg:16_17ml的比例计算。 上述的制备方法也适用于其他形状的磷掺杂介孔碳的制备，只是将所用的棒状的 介孔二氧化硅用其他特殊形状的介孔二氧化硅如球状、纤维状等替代，最终得到形状与介 孔二氧化硅形状对应的磷掺杂介孔碳。 上述的一种棒状的磷掺杂介孔碳用于制作超级电容器所用的电极材料，其制作方 法步骤如下： 将棒状的磷掺杂介孔碳材料与粘结剂聚四氟乙烯乳液，导电石墨按质量比计算，即棒 状的磷掺杂介孔碳材料：聚四氟乙烯乳液：导电石墨为8:1:1的比例进行混合碾磨成片状， 并滴加几滴1-甲基-2-吡咯烷酮溶剂以形成泥状混合物为准，然后将泥状混合物均匀涂抹 到的泡沫镍上，在lOMPa压力下压片处理后在120°C下进行真空干燥10h，即制成 超级电容器所用的电极材料。 上述所得的超级电容器所用的电极材料，在10mV/S的扫描速率下，其比电容量为 202-261F/g。 本专利技术的有益效果 本专利技术的一种棒状的磷掺杂介孔碳材料的制备方法，结合了对材料形貌的控制和杂元 素磷的掺杂两方面，提高介孔碳材料的性能，最终所得的棒状的磷掺杂介孔碳材料，按原 子百分比计算，磷元素的掺杂含量为0. 51-0. 66%，余量为碳，孔径分布在1. 57-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种棒状的磷掺杂介孔碳材料，其特征在于所述棒状的磷掺杂介孔碳材料为介孔结构，按原子百分比计算，磷元素的掺杂含量为0.51‑0.66%，余量为碳，孔径分布在1.57‑2.04nm，比表面积约942‑1513m2/g，孔体积为0.85‑1.18cm3/g。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王静，沈绍典，任晓丹，毛东森，卢冠忠，
申请(专利权)人：上海应用技术学院，
类型：发明
国别省市：上海;31