一种氮氧硫三掺杂多孔碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮氧硫三掺杂多孔碳材料及其制备方法，属于新能源材料领域，通过选用真菌银耳作为前驱体，选用硝酸盐作为活化剂，控制银耳与活化剂的质量比为1:0.1～1:5，进行相关处理后得到银耳‑活化剂混合物，放入管式炉中，在惰性气氛下进行碳化活化，进一步在稀盐酸、蒸馏水中充分清洗去除杂质，在烘箱中干燥，得到氮氧硫三掺杂多孔碳材料，该发明专利技术的制备方法简单易行，成本较低，得到的氮氧硫三掺杂碳材料具备分级开放的孔隙结构、大的比表面积，可应用于超级电容器的电极材料，在0～60℃测试时都具有大的比电容、良好的倍率性能和高的能量密度。

A Nitrogen, Oxygen and Sulfur Tri-doped Porous Carbon Material and Its Preparation Method

The invention discloses a nitrogen-oxygen-sulfur tri-doped porous carbon material and its preparation method, which belongs to the field of new energy materials. By selecting fungus Tremella as precursor and nitrate as activator, the mass ratio of Tremella to activator is controlled to be 1:0.1-1:5. After relevant treatment, a mixture of Tremella Tremella and activator is obtained, which is put into tubular furnace and carbonized in inert atmosphere. The preparation method of the invention is simple and feasible, and the cost is low. The obtained nitrogen, oxygen and sulfur tri-doped carbon material has graded open pore structure and large specific surface area. It can be applied to the electrode materials of supercapacitors. It can be tested at 0-60 C. It has large specific capacitance, good rate performance and high energy density.

【技术实现步骤摘要】
一种氮氧硫三掺杂多孔碳材料及其制备方法
本专利技术属于新能源材料领域，具体涉及一种高比表面、丰富氮氧硫三元素掺杂多孔碳材料及其制备方法，可应用于超级电容器方面。
技术介绍
化石能源枯竭和气候变暖是人类共同面临的挑战。目前，全球能源需求向清洁化、多样化、可再生化、高效化方向发展。因此，开发和利用可再生能源是解决这一问题的关键。在现有的储能形式中，超级电容器和锂离子电池引起了人们的极大关注。然而，超级电容器相对锂离子电池仍然具有较低的能量密度。为了提高超级电容器的能量密度，碳材料通常被用作电极材料，是由于其容易获得，具有可控的微观结构和形貌，以及高安全性。不幸的是，作为超级电容器的商业电极材料，传统活性炭表现出低的比电容（在水电解液中比电容<300Fg-1，有机电解液中比电容100~120Fg-1）和差的倍率性能，这是由于其孔道的扭曲限制了离子传输动力学。考虑到传统商业活性炭材料在实际应用中的局限性，设计和制备新型的碳材料来改善超级电容器的电化学性能变得十分迫切。一般来说，增大碳材料的孔隙通道来提高比表面积，可以有效地改善电化学动力学过程。把生物质原料和化学活化剂（如KOH等）混合后，在惰性气氛中加热，经过一系列的反应，可得到高比表面积和分级多孔的碳材料。碳材料一旦具有高比表面积和分级的孔隙结构，就可以缩短离子扩散距离，为电荷转移反应提供丰富的活性位点，并促进离子的嵌入/脱出，进而提高超级电容器的比电容和倍率性能。因此，设计和制备分级多孔碳是一种有效的策略。近年来，异质原子掺杂的碳材料作为超级电容器电极引起了广泛的兴趣，这是因为引入异质原子可以调整碳材料的电子给体性质，从而调节其表面的电学和化学性能，进而提高导电性，增强表面润湿性，并提供额外的赝电容。代表性的异质原子如氮（N），氧（O），硫（S）和磷（P）可以以单掺杂或多掺杂的方式掺入碳材料，以改变碳材料性能。与只提高材料一个方面性能的单种异质原子掺杂相比，两种及两种以上的异质原子掺杂可以通过协同效应来提高材料的整体性能。通常将富含异质元素的生物质前驱体在惰性气氛中进行碳化活化来实现多种异质原子的掺杂。由于异质原子是从前驱体中继承的，生成的官能团可以均匀地分布在碳基体的表面和内部。这种能简单有效获得异质原子的掺杂方式可以有效地提高碳材料电极的能量存储。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种一种氮氧硫三掺杂多孔碳材料及其制备方法，应用于超级电容器，该生物质衍生碳电极材料能够解决现有技术中比电容和倍率性能不够好问题，还可以实现生物质的高附加值利用，同时解决超级电容器电极材料的生产成本高的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种氮氧硫三掺杂多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：a）选择碳前驱体与活化剂：选用真菌银耳作为前驱体，选用硝酸盐作为活化剂；b）浸渍：首先对银耳进行清洗、干燥，然后，将干燥好的银耳与硝酸盐加入到水中浸泡0～48h，直至活化剂被充分地吸收分散在银耳基体上，控制银耳与活化剂的质量比为1:0.1～1:5，之后将其进行收集，放入-50～-10℃的冷冻干燥机中进行干燥处理，得到银耳-活化剂混合物；c）碳化活化：将步骤b）得到的银耳-活化剂混合物放入管式炉中，在惰性气氛下进行碳化活化，所述惰性气氛选自氩气或氮气中的一种；d）清洗：将碳化活化后的样品进行清洗，分别在稀盐酸、蒸馏水中充分清洗去除杂质，在烘箱中干燥，得到氮氧硫三掺杂多孔碳材料。进一步的，所述步骤a）中的活化剂硝酸盐为LiNO3、NaNO3、KNO3、Mg(NO3)2、Ca(NO3)2中的一种或多种。进一步的，所述步骤a）中碳化活化温度控制在500～1300℃，管式炉升温速率控制在0.1～10℃min-1，惰性气体流量为10～100mLmin-1，保温时间为0.5～10h。本专利技术还提出一种根据上述制备方法制得的氮氧硫三掺杂多孔碳材料，该氮氧硫三掺杂多孔碳材料可应用于超级电容器的电极材料。相对于现有技术，本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术采用富含氮氧硫元素的前驱体，通过硝酸盐辅助活化的方式能够制得具有大比表面积、丰富异质原子掺杂的多孔碳材料，非常适用于超级电容器的电极材料；(2)专利技术选用真菌银耳作为前驱体，其含有的蛋白质和硫胺素能够有效地实现氮氧硫元素的掺杂，而且该专利技术的制备方法简单易行，成本较低；(3)本专利技术采用硝酸盐辅助活化法制备银耳基氮氧硫三掺杂多孔碳材料，使得到的氮氧硫三掺杂碳材料具备分级开放的孔隙结构、大的比表面积，该碳材料中含有的丰富的微孔、介孔结构非常有利于电荷的积累和离子的输运，这有利于缩短离子扩散距离，促进离子的嵌入/脱出，为电荷转移反应提供丰富的活性位点，是取得良好电化学性能的基础，与此同时，硝酸盐活化剂同样会提供额外的氮元素掺杂；(4)本专利技术在碳材料中引进氮氧硫元素，有益于增强电解液的润湿性、提高导电性，提供额外的赝电容；(5)本专利技术方法制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料适用于超级电容器的电极材料，在0～60℃测试时都具有大的比电容、良好的倍率性能和高的能量密度。附图说明图1为实施例1得到的氮氧硫三掺杂多孔碳材料的扫描电子显微镜（SEM）照片。图2为实施例2得到的氮氧硫三掺杂多孔碳材料的扫描电子显微镜（SEM）照片。图3为实施例3得到的氮氧硫三掺杂多孔碳材料的扫描电子显微镜（SEM）照片。图4为实施例4得到的氮氧硫三掺杂多孔碳材料的扫描电子显微镜（SEM）照片。图5为实施例5得到的氮氧硫三掺杂多孔碳材料的扫描电子显微镜（SEM）照片。图6为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在0oC，100mVs-1扫描速率下的循环伏安曲线。图7为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在0oC，10Ag-1电流密度下的恒流充放电曲线。图8为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在0oC的比电容随电流密度变化的曲线。图9为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在0oC的能量-功率密度曲线。图10为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在20oC，100mVs-1扫描速率下的循环伏安曲线。图11为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在20oC，10Ag-1电流密度下的恒流充放电曲线。图12为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在20oC的比电容随电流密度变化的曲线。图13为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在20oC的能量-功率密度曲线。图14为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在60oC，100mVs-1扫描速率下的循环伏安曲线。图15为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在60oC，10Ag-1电流密度下的恒流充放电曲线。图16为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在60oC的比电容随电流密度变化的曲线。图17为本专利技术实施例1～5制备的氮氧硫三掺杂多孔碳材料在60oC的能量-功率密度曲线。具体实施方式为了使本领域的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合本专利技术的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。实施例1：我们首先将银耳用蒸馏水清洗并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮氧硫三掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a）选择碳前驱体与活化剂：选用真菌银耳作为前驱体，选用硝酸盐作为活化剂；b）浸渍：首先对银耳进行清洗、干燥，然后，将干燥好的银耳与硝酸盐加入到水中浸泡0～48h，直至活化剂被充分地吸收分散在银耳基体上，控制银耳与活化剂的质量比为1:0.1～1:5,之后将其进行收集，放入‑50～‑10℃的冷冻干燥机中进行干燥处理，得到银耳‑活化剂混合物；c）碳化活化：将步骤b）得到的银耳‑活化剂混合物放入管式炉中，在惰性气氛下进行碳化活化，所述惰性气氛选自氩气或氮气中的一种；d）清洗：将碳化活化后的样品进行清洗，分别在稀盐酸、 蒸馏水中充分清洗去除杂质，在烘箱中干燥，得到氮氧硫三掺杂多孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮氧硫三掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a）选择碳前驱体与活化剂：选用真菌银耳作为前驱体，选用硝酸盐作为活化剂；b）浸渍：首先对银耳进行清洗、干燥，然后，将干燥好的银耳与硝酸盐加入到水中浸泡0～48h，直至活化剂被充分地吸收分散在银耳基体上，控制银耳与活化剂的质量比为1:0.1～1:5,之后将其进行收集，放入-50～-10℃的冷冻干燥机中进行干燥处理，得到银耳-活化剂混合物；c）碳化活化：将步骤b）得到的银耳-活化剂混合物放入管式炉中，在惰性气氛下进行碳化活化，所述惰性气氛选自氩气或氮气中的一种；d）清洗：将碳化活化后的样品进行清洗，分别在稀盐酸、蒸馏水中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焕磊，张浩，阚景林，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37