一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料、制备方法及应用。所述电极材料前驱体包括以质量百分比计的20～85％模板剂、10～75％含氮化合物和5～50％过渡金属盐。制备方法为：将模板剂、含氮化合物和过渡金属盐溶于溶剂中，得到前驱体；前驱体焙烧还原得到一次碳化材料；一次碳化材料经酸洗得到含氮介孔碳材料；含氮介孔碳材料经酸洗，再次焙烧还原，得到氮硫双掺杂介孔碳电极材料。其在超级电容器中的应用为：将电极材料与乙炔黑、粘结剂、分散剂的混合溶液转移到玻碳电极上；使用电化学工作站，在不同浓度的电解质溶液中进行三电极体系测试。本发明专利技术提供的电极材料为多级孔结构，具有高比表面积，是一种优良的超级电容器材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容器电极材料的制备与应用领域，特别涉及一种氮硫双掺杂介孔碳超级电容器电极材料、制备方法及应用。
技术介绍
超级电容器具有能量密度高、循环寿命长、充放电速率快等特点，已广泛应用于许多领域如：便携式电子设备、记忆备份系统、不间断电源等领域。不仅如此，在混合动力汽车的加速与刹车能力转换等方面与燃料电池协作具有巨大的潜力。根据储能原理的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器的电极材料主要是各种高比表面积碳材料，赝电容器的电极材料主要为金属氧化物和导电聚合物。其中碳材料具有高比表面积，低成本，循环寿命长等优点而受到广泛关注。但是其混杂的孔结构致使电解质离子得不到有效地利用而限制了孔壁中离子的空间，从而限制了其比电容和电化学充放电性能。通常认为，高比表面积、适宜的孔尺寸和结构有利于溶剂离子的传输，进而提高催化剂的催化活性，实现较高的比电容。本专利技术方法利用模板法得到可控结构、特定形貌的碳材料。进一步通过模板法合成的介孔碳材料进行氮硫双掺杂，在极大提高掺杂碳的比表面积的同时，提高活性位密度以及晶格缺陷，从而不仅可以改善水在介孔碳中的分散性，而且能够改变介孔碳局部电流密度，提高介孔碳的电子传递性，降低电阻系数。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种超级电容器材料氮硫双掺杂介孔碳的制备方法，通过该方法能得到的氮硫双掺杂介孔碳电极材料为多级孔结构而且具有很高的比表面积，以提高比电容以及循环稳定性。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料，其特征在于，所述电极材料的前驱体包括以前驱体总质量为基础的以质量百分比计的20～85％的模板剂、10～75％的含氮化合物和5～50％的过渡金属盐。优选地，所述模板剂为直径为15-30nm的纳米二氧化硅或直径为15-30nm的碳酸钙。优选地，所述过渡金属盐为硫酸亚铁、硫酸铁和硝酸铁中的任意一种或几种。优选地，所述含氮化合物为聚乙烯亚胺，其重均分子量为1300-25000。本专利技术还提供了一种上述氮硫双掺杂介孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：将模板剂、含氮化合物和过渡金属盐溶于溶剂中，超声6～8h，干燥，得到前驱体；步骤2)：将步骤1)制得的前驱体在惰性气体气氛保护下升温至600～1000℃焙烧还原处理1～3h，得到一次碳化材料；步骤3)：将步骤2)制得的一次碳化材料用酸液于室温下酸洗处理12～24h，然后离心、去离子水清洗后干燥，得到含氮介孔碳材料；步骤4)：将步骤3)制得的含氮介孔碳材料用酸液于80℃下再次酸洗处理6～8h，然后离心、去离子清洗后干燥，并再次在惰性气体气氛保护下升温至600～1000℃焙烧还原处理1～3h，得到氮硫双掺杂介孔碳电极材料。优选地，所述步骤1)中的溶剂为水、甲醇或乙醇。优选地，所述步骤1)、步骤4)中的惰性气体为氮气或氩气。优选地，所述步骤3)、步骤4)中的酸液为硫酸、盐酸和氢氟酸中的任意一种或两种以上的混合溶液。本专利技术还提供了一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料在超级电容器中的应用，其特征在于，采用上述氮硫双掺杂介孔碳电极材料的制备方法中的步骤1)至步骤4)制得氮硫双掺杂介孔碳电极材料，然后进行以下步骤：步骤5)：将氮硫双掺杂介孔碳电极材料与乙炔黑、粘结剂、分散剂按比例混合，经过超声后，得到混合溶液；将混合溶液转移到玻碳(GC)电极上，自然晾干；步骤6)：使用电化学工作站，在不同浓度的电解质溶液中进行三电极体系测试，以步骤5)制得的玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在氮气氛围下进行不同扫速的循环伏安测试。优选地，所述步骤5)中粘结剂为Nafion溶液、PVA或PTFE。优选地，所述步骤5)中分散剂为乙醇、水或异丙醇。优选地，所述步骤5)中氮硫双掺杂介孔碳材料与乙炔黑、粘结剂的重量比为80％∶10％∶10％、85％∶5％∶10％、85％∶10％∶5％或90％∶5％∶5％。优选地，所述步骤6)中不同浓度的电解质溶液采用1M KOH、3M KOH、6M KOH、0.5M H2SO4和1M H2SO4。本专利技术提供的氮硫双掺杂介孔碳电极材料为多级孔结构，其具有很高的比表面积，显著提高了比电容以及循环稳定性，是一种优良的超级电容器材料。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的氮硫双掺杂介孔碳材料为有序的多介孔碳材料而且具有很高的比表面积，同时氮硫双掺杂不仅改善了水的分散性而且能够改变介孔碳局部电流密度，提高介孔碳的电子传递性，降低电阻系数，是一种优良的超级电容器材料。此外，本专利技术还具有制备方法简单、成本低廉、易于实现工业化生产等优点。附图说明图1为以实施例1制备的电极材料在0.5M H2SO4电解质溶液中的循环伏安曲线，其中电极载量为0.5mg/cm；图2为以实施例1制备的电极材料在0.5M H2SO4电解质溶液中比电容随电流密度变化的曲线，其中电极载量为0.5mg/cm2；图3为以实施例1制备的电极材料以50A/g的电流密度在0.5M H2SO4电解质溶液中的循环稳定性曲线，其中电极载量为0.5mg/cm2；图4为以实施例3制备的电极材料在3M KOH电解质溶液中的比电容随扫描速度变化的曲线，其中电极载量为0.5mg/cm2。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。实施例1一种氮硫双掺杂电极材料，其前驱体包括质量含量为46％的模板剂直径为15nm的二氧化硅、质量含量为20％的含氮化合物PEI(聚乙烯亚胺，Sigma-Aldrich(上海)贸易有限公司，408700-250ML，Mw＝2000)和质量含量为34％的过渡金属盐七水合硫酸亚铁(上述的质量含量以前驱体的总质量为基准)。上述氮硫双掺杂电极材料的制备方法为：将聚乙烯亚胺和二氧化硅配制成50％的PEI水溶液和20％的SiO2水溶液，称取0.7448g FeSO4·7H2O和0.9g 50％的PEI水溶液，并将其与5g 20％的SiO2水溶液在搅拌的条件下混合均匀，超声8h后于85℃烘箱内干燥过夜，研成粉末，得前驱体。将上述前驱体置于石英舟中，在N2气氛保护下以20℃/min升温速率升高至800℃条件下焙烧还原处理1h，得到一次碳化产物。将一次碳化产物用过量的40％HF溶液在室温下酸洗24h，离心、去离子水清洗后干燥，得含氮介孔碳材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料，其特征在于，所述电极材料的前驱体包括以前驱体总质量为基础的以质量百分比计的20～85％的模板剂、10～75％的含氮化合物和5～50％的过渡金属盐。

【技术特征摘要】
1.一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料，其特征在于，所述电极材料的前驱体包括
以前驱体总质量为基础的以质量百分比计的20～85％的模板剂、10～75％的含氮化
合物和5～50％的过渡金属盐。
2.如权利要求1所述的氮硫双掺杂介孔碳电极材料，其特征在于，所述模板剂
为直径为15-30nm的纳米二氧化硅或直径为15-30nm的碳酸钙。
3.如权利要求1所述的氮硫双掺杂介孔碳电极材料，其特征在于，所述过渡金
属盐为硫酸亚铁、硫酸铁和硝酸铁中的任意一种或几种。
4.如权利要求1所述的氮硫双掺杂介孔碳电极材料，其特征在于，所述含氮化
合物为聚乙烯亚胺，其重均分子量为1300-25000。
5.一种权利要求1所述的氮硫双掺杂介孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤1)：将模板剂、含氮化合物和过渡金属盐溶于溶剂中，超声6～8h，干
燥，得到前驱体；
步骤2)：将步骤1)制得的前驱体在惰性气体气氛保护下升温至600～1000
℃焙烧还原处理1～3h，得到一次碳化材料；
步骤3)：将步骤2)制得的一次碳化材料用酸液于室温下酸洗处理12～24h，
然后离心、去离子水清洗后干燥，得到含氮介孔碳材料；
步骤4)：将步骤3)制得的含氮介孔碳材料用酸液于80℃下再次酸洗处理
6～8h，然后离心、去离子清洗后干燥，并再次在惰性气体气氛保护下升温至600～
1000℃焙烧还原处理1～3h，得到氮硫双掺杂介孔碳电极材料。
6.如权利要求5所述氮硫双掺杂介孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，所
述步骤1)中的溶剂为水、甲醇或乙醇。
7.如权利要求5所述氮硫双掺杂介孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，所
述步骤1)、步骤4)中的惰性气体为氮气...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔锦丽，陈文照，石晶晶，朱泰山，王强，
申请(专利权)人：东华大学，国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：上海;31