一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料及其制备方法和应用，属于电容脱盐电极制备领域。其制备方法是先将按比例混合的氯化钾、氯化锂、硝酸锂、硫代硫酸钠以及葡萄糖研磨至糊状，经过高温炭化、浸泡、水洗过滤，干燥以得到片层状、高比表面积的氮硫共掺杂多孔碳；将所制得的氮、硫共掺杂多孔碳片、碳黑、PVDF以及1‑甲基‑2‑吡咯烷酮混合均匀并刮涂在导电玻璃上，烘干即得到电容脱盐电极。其具有制备工艺简单易行，原料来源广，工序简单。应用于高盐水的电容脱盐，效果好，盐吸附容量高，在通1.4V低电压的条件下，在330mg/L的NaCl溶液中达到55.79mg/g的脱盐能力。

A Nitrogen and Sulfur Co-doped Porous Carbon Capacitance Desalination Electrode Material and Its Preparation and Application

The invention discloses a nitrogen and sulfur co-doped porous carbon capacitive desalination electrode material and its preparation method and application, belonging to the field of capacitive desalination electrode preparation. The preparation method is that the proportionally mixed potassium chloride, lithium chloride, lithium nitrate, sodium thiosulfate and glucose are ground to paste, then dried by high temperature carbonization, soaking, water washing and filtration to obtain lamellar, high specific surface area porous carbon co-doped with nitrogen and sulfur, carbon black, PVDF and 1 methyl 2 pyrrolidone are mixed. The capacitive desalination electrode is obtained by evenly scraping on the conductive glass and drying. It has the advantages of simple preparation process, wide source of raw materials and simple process. The capacitive desalination of high salt water has good effect and high salt adsorption capacity. Under the condition of 1.4V low voltage, the desalination ability of NaCl solution with 330mg/L can reach 55.79mg/g.

【技术实现步骤摘要】
一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料及其制备和应用
本专利技术涉及电容脱盐电极材料制备
，具体涉及一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料及其制备和应用。
技术介绍
水资源紧缺正在逐渐成为制约我国可持续发展战略的主要因素之一。高盐水来源广，包括海水、苦咸水和化工、印染、食品加工行业高含盐废水，水量大，对当前水资源利用和废水回用带来巨大挑战。传统的脱盐技术如电渗析、反渗透及多级闪蒸等普遍存在着高能耗、低效率、低水利用率、二次污染等问题，这使得高盐废水脱盐一直难以真正实现大规模产业化。电容去离子(CDI)技术是一种基于双电层电容理论的水质淡化净化技术，具有能耗低、污染小、易操作等优点，是目前非常具有发展前景的脱盐技术之一。如何进一步提高CDI脱盐效率、增强其循环性能以及工作寿命一直以来受到了大量研究人员的关注。CDI脱盐性能关键在于电极材料，因此，开发经济高效的电极材料是当前改进CDI技术的重要途径和方法。碳材料具有比表面积大、孔结构可控、化学性质稳定等优势。目前，人们己经将多种碳材料用于CDI电极并开展了相关应用研究，包括：活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、介孔碳、石墨稀等，但是其性能与商业用的贵金属电极相比，脱盐量相对较低，极大限制了电容脱盐技术的应用。发展具有高脱盐量的新型碳材料是解决上述问题的关键。近年来，研究者发现纳米2D材料与其他几种材料相比，其具有独特的电荷传输路径，对于电化学应用来说，在这样的二维纳米材料中，整个碳框架暴露于电解质中，可以更大限度地参与电化学反应，从而达到提升电容脱盐的性能。另外研究工作者在不断的改变材料结构和表面组成以提高其性能。若在碳材料中合理掺杂其他元素，有可能改变碳材料的晶体结构和电子结构，从而产生优于普通碳材料的物理、化学性质。因此，具有合适的高比表面积、高石墨化的氮、硫共掺杂多孔碳片是解决此问题的有效途径。目前碳材料广泛应用于电容和电池材料领域，其需要碳材料具有尽可能高的比表面积、比电容、能量密度等较为苛刻的要求，且基本用于负极材料；而在电容脱盐领域所需的碳材料主要用于正极，需要达到合适的比表面积、合理的孔径分布、高的湿润度、良好的循环稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中的问题，提出一种具有片状结构的高比表面积、高石墨化的氮硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法，并将其应用于电容脱盐领域。本专利技术制备方法简单、制备周期短、重复性好。制备的氮、硫共掺杂多孔碳片稳定性好，能够有效脱盐，循环性能好。本专利技术的目的是这样实现的：一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料，具有以下特征：(1)微孔体积百分比为：10-30％，介孔体积百分比为70-90％；(2)微孔和介孔的总体积为0.5-1.2cm3.g–1；(3)微孔单孔孔径不超过2nm，介孔单孔孔径5-20nm；(4)碳片的厚度范围50-300μm，长2.0-3.5cm，宽1.0-2.5cm。所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料，氮、硫在电极材料中的掺杂百分比分别为2-5％、1.5-5.5％。一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，包含以下步骤：将碳源、熔点低于碳源炭化温度的熔融盐、氮源、硫源分别按比例混合均匀，经过高温炭化、浸泡、水洗，烘干；碳源优选：葡萄糖、蔗糖或淀粉；进一步优选葡萄糖。熔点低于碳源炭化温度的熔融盐优选：氯化钾、氯化锂、氯化锌、氯化铝中的一种或几种；进一步优选氯化钾、氯化锂的混合物。氮源优选：硝酸锂、硝酸铵、三聚氰胺、赖氨酸中的一种或两种；进一步优选硝酸锂。硫源优选：硫代硫酸钠、硫酸钾、半胱氨酸中的一种或几种，进一步优选硫代硫酸钠。所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，在惰性气氛下进行炭化，温度为550～1000℃，优选600-700℃。所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，在惰性气氛下进行炭化，升温速率为5～10℃/min，保温时间为2～3h。所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，氮源、硫源、碳源的质量比例范围为0.5-1.5：0.8-2：1-4。所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，熔点低于碳源炭化温度的熔融盐与包括碳源、氮源和硫源在内的其他组分的比例5～12：1～4；优选氯化钾与氯化锂混合组成的熔融盐，其中氯化钾与氯化锂比例为：0.5～1.5：1。所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，将各组分在10-30℃下搅拌至糊状，搅拌时间为至少30min，再进行高温炭化。所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，高温炭化产物冷却后用水浸泡6～10h后过滤，再置于烘箱中在60℃下干燥12～24小时，即得到氮、硫共掺杂多孔碳片。所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料应用于电容脱盐电极的制备。具体是制得的氮、硫共掺杂多孔碳片材料，碳黑及PVDF按照质量比为6～10：1：1干磨10min，然后滴加1-甲基-2-吡咯烷酮湿磨30min后均匀涂敷在导电玻璃上，随后在60～120℃下烘干6～12h。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供了一种将N、S两种杂原子通过简单的盐熔法掺杂到多孔碳上。其以葡萄糖为碳源，硫代硫酸钠和硝酸锂分别提供硫源和氮源，直接混合均匀后将前驱体碳化，一步将氮元素和硫元素掺杂至碳化得到的多孔碳材料中，制备过程简单清洁可控，原料简单易得。(2)本专利技术提供的氮硫共掺杂多孔碳片采用盐熔法,采用的熔点低于碳源炭化温度的熔融盐是致孔剂，使得制备的材料具有比表面积大(750-819m2/g)以及相互连接的多级孔结构，同时具有合理比例的微孔和介孔，而此孔结构更加适合提升脱盐性能。此外，氮原子和硫原子的同时引入可以使其产生协同作用，如使碳材料具有更多缺陷点位和较高表面润湿性，有利于离子的扩散和吸附，从而提升脱盐性能。(3)本专利技术通过控制炭化温度、保温时间，而且还通过调控原料添加比例，包括氮和硫的不同掺杂比例等条件来提升材料的导电性、比表面积、微孔和介孔的合适比例、石墨化程度、表面润湿性、稳定性等综合性能。(4)本专利技术的氮、硫共掺杂纳米碳片，脱盐效果好，效率高，在通1.4V低电压的条件下，在330mg/L的NaCl溶液中达到55.79mg/g的盐吸附量。对比单一氮掺杂的碳材料和单一硫掺杂的碳材料，80mg/L的NaCl溶液中本专利技术的氮、硫共掺杂纳米碳片电吸附量为23.52mg/g，而单一氮掺杂和单一硫掺杂碳材料吸附量仅为9.8mg/g和11.5mg/g。(5)本专利技术的氮、硫共掺杂纳米碳片在多次连续恒流充放电测试中表现较为稳定，参见图5(循环稳定性测试)(6)本专利技术所制备的脱盐电极材料具有高效率、低能耗的脱盐性能，适用于高浓度盐水脱盐处理，海水及苦咸水淡化，为高效率、低能耗、低成本脱盐技术提供了新的途径。附图说明图1为本专利技术实施例1的扫描电镜图及元素映射图；图2为本专利技术实施例2的扫描电镜图及元素映射图；图3为本专利技术实施例2所得样品的透射电镜图；图4为本专利技术实施例1，2，3所得样品的与不掺杂、单一氮掺杂、单一硫掺杂碳材料的拉曼图；图5为本专利技术实施例2所得样品的循环稳定性测试图；图6为不同碳化温度所得样品的透射及高分辨透射图；a,b为500℃合成样品的孔结构几乎全部为介孔，微孔很少；c,d为600℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料，其特征在于，具有以下特征：(1)微孔体积百分比为：10‑30％，介孔体积百分比为70‑90％；(2)微孔和介孔的总体积为0.5‑1.2cm

【技术特征摘要】
1.一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料，其特征在于，具有以下特征：(1)微孔体积百分比为：10-30％，介孔体积百分比为70-90％；(2)微孔和介孔的总体积为0.5-1.2cm3.g–1；(3)微孔单孔孔径不超过2nm，介孔单孔孔径5-20nm；(4)碳片的厚度范围50-300μm，长2.0-3.5cm，宽1.0-2.5cm。2.根据权利要求1所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料，其特征在于，氮、硫在电极材料中的掺杂百分比分别为2-5％、1.5-5.5％。3.一种氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：将碳源、熔点低于碳源炭化温度的熔融盐、氮源、硫源分别按比例混合均匀，经过高温炭化、浸泡、水洗，烘干；碳源优选：葡萄糖、蔗糖或淀粉；熔点低于碳源炭化温度的熔融盐优选：氯化钾、氯化锂、氯化锌、氯化铝中的一种或几种；氮源优选：硝酸锂、硝酸铵、三聚氰胺、赖氨酸中的一种或几种；硫源优选：硫代硫酸钠、硫酸钾、半胱氨酸中的一种或几种。4.根据权利要求3所述的氮、硫共掺杂多孔碳片电容脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，在惰性气氛下进行炭化，温度为550～1000℃，优选600...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫春，闵小波，胡晓先，马玉天，张燕，张鹏，昕雨，赵洁，
申请(专利权)人：金川集团股份有限公司，中南大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62